CC BY
64
УДК 624.19.035.2
Цибариус Юрий Александрович
ФГОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»,
Россия, Новосибирск1 Научный сотрудник E-Mail: [email protected]
Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей распределения напряжений в конструкциях тоннельных обделок с учетом временной набрызгбетонной крепи
Аннотация: Одним из наиболее распространенных видов временной крепи при строительстве транспортных тоннелей является набрызгбетонная крепь. В настоящее время учет набрызгбетонной крепи в расчетах конструкций постоянных обделок затруднителен в связи с отсутствием универсальной методики проектирования, что влечет за собой увеличение материалоемкости конструкций и трудоемкости производимых работ. Данные о степени и характере влияния основных механических характеристик скальных грунтов и геометрических размеров сооружения на значение коэффициента учета податливой временной набрызгбетонной крепи, полученные в результате проведенных исследований, послужили основой для дальнейшей разработки универсальной методики проектирования.
В ходе теоретических исследований установлены эмпирические зависимости распределения напряжений между временной набрызгбетонной крепью и постоянной монолитной железобетонной обделкой. Результаты экспериментальных исследований напряженного состояния временной набрызгбетонной крепи и постоянной обделки, проведенных в натурных условиях, подтвердили возможность применения при расчете конструкций постоянных обделок тоннелей с учетом временной набрызгбетонной крепи полученных в ходе теоретических исследований эмпирических зависимостей. Использование предложенных зависимостей при проектировании конструкций обделок позволит значительно снизить материало- и трудоемкость строительства транспортных тоннелей.
Ключевые слова: Набрызгбетон; тоннелестроение; временная крепь; теоретические исследования; численное моделирование; постоянная обделка; скальные грунты; натурные наблюдения; напряженное состояние; многофакторный анализ.
Идентификационный номер статьи в журнале 17ТУЫ114
1 630049, Россия, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук - 191
Yuri Tsibarius
Siberian Transport University Russia, Novosibirsk E-Mail: [email protected]
Theoretical and experimental research tensity of permanent tunnel lining with temporary shotcrete lining factor
Abstract: Shotcrete lining is one of the most common types of temporary supports in tunnel construction. The influence of shotcrete lining on design calculations of permanent lining is difficult, because there is no method of designing at the present time. This leads to increasing in consumption of materials and labour of construction. The information about the influence of the basic mechanical properties of soils, geometrical size of construction per value of temporary shotcrete lining factor was obtained during research. These data formed the basis for futher development method of designing.
Empirical correlations of stress distribution between temporary shotcrete lining and permanent monolithic reinforced concrete lining were obtained during theoretical research. Results of experimental research tensity of temporary shotcrete and permanent lining confirmed the possibility of using in the designing this empirical correlations. Using in the designing proposed empirical correlations will leads to reduction in consumption of materials and labour of construction.
Keywords: Hotcrete; tunnel construction; temporary support; theoretical research; numerical modeling; permanent lining; rock; field observations; tensity; multivariate analysis.
Identification number of article 17TVN114
Введение
Совершенствование транспортной системы и повышение эффективности ее функционирования являются необходимым условием развития экономики России. Для решения транспортных проблем в Российской Федерации необходимо дальнейшее развитие транспортной инфраструктуры, предусматривающее увеличение объема строительства таких важных объектов, как транспортные тоннели. Одной из основных целей Постановления Правительства Российской Федерации от 05.12.2001г. № 848 (редакция от 02.11.2013 г.) «О Федеральной целевой программе «Развитие транспортной системы России (2010-2020 годы)» является эффективное использование финансовых средств, а также широкое внедрение в производственную практику новейших достижений научно-технического прогресса во всех сферах транспортного строительства, в том числе и в тоннелестроении. Эффективность процесса строительства транспортных тоннелей достигается путем повышения качества работ, увеличения скоростей проходки при оптимизации материало- и трудоемкости как основных, так и вспомогательных операций, на всех этапах производственного цикла.
Одним из наиболее важных и технически сложных процессов при строительстве транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом, является возведение временной крепи и постоянной обделки, требующее значительных материальных и трудовых затрат.
В последнее время в практике отечественного тоннелестроения отмечается существенный рост объемов применения набрызгбетона в качестве временной крепи, что позволяет получить значительный экономический эффект и обеспечить полную механизацию строительно-монтажных работ [1,3]. Однако эффективность применения конструкций обделок тоннелей, сооружаемых горным способом, в значительной мере снижается из-за отсутствия универсальной методики учета при проектировании предварительно сооруженной временной набрызгбетонной крепи, воспринимающей значительную часть основных видов статических нагрузок, воздействующих на тоннель, что не позволяет оптимизировать материальные и трудовые затраты производимых строительно-монтажных работ.
Таким образом, разработка и внедрение в производственный процесс методики учета временной набрызгбетонной крепи в расчетах напряженного состояния конструкций тоннельных обделок позволит оптимизировать материальные и трудовые затраты при строительстве тоннелей, сооружаемых горным способом.
Проведение теоретических исследований
При проведении теоретических исследований необходимо было установить степень и характер влияния на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом и без учета влияния временной набрызгбетонной крепи:
• основных физико-механических характеристик грунта;
• жесткости временной набрызгбетонной крепи;
• размеров поперечного сечения тоннельной выработки.
В процессе проведения исследований рассматривался случай сооружения тоннеля способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью в однородных скальных устойчивых грунтах и последующим возведением постоянной монолитной железобетонной обделки.
Для исследования напряженного состояния постоянной обделки тоннеля в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel» (Нидерланды) была создана расчетная пространственная конечно-элементная модель тоннельной выработки. Для моделирования принято сечение автодорожного тоннеля №1 трассы «Адлер - «Альпика-Сервис» (рисунок 1). Для моделирования грунтового массива использована упругопластическая модель Мора-Кулона [5].
а) б)
Рис. 1. Пространственная конечно-элементная модель (а) и поперечное сечение тоннеля (б)
Расчет пространственной модели включал определение напряженного состояния системы «крепь - массив» на основных этапах проходки тоннельной выработки. Каждый этап расчета пространственной модели включал удаление грунта на длине очередной заходки и устройство набрызгбетонной крепи. С отставанием от забоя выработки моделировалась постоянная железобетонная обделка. В ходе теоретических исследований оценивали напряженное состояние обделки в трех характерных сечениях.
Для установления степени и характера влияния основных механических характеристик грунта на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом и без учета влияния временной набрызгбетонной крепи были проведены несколько этапов расчетов:
1) На первом этапе расчетов определяли напряженное состояние постоянной обделки тоннеля для различных видов скальных грунтов, соответствующих области применения временной набрызгбетонной крепи.
2) Второй этап расчетов был основан на проведении неполного многофакторного анализа (метод латинских квадратов) напряженного состояния постоянной обделки и включал серию численных экспериментов по определению влияния различных параметров грунтового массива на изменение значений коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи. Схема проведения расчетов представлена на рисунке 2.
3) На третьем этапе расчета была установлена зависимость коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи обделки от модуля деформации грунтового массива, для чего были выполнены дополнительные расчеты, в которых при усредненных значениях основных физико-механических характеристик варьировались значения модуля деформации.
На основании результатов расчетов были вычислены значения коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи унб:
°су
Гнб =— , (1)
®бу
где Осу(бу) - нормальные тангенциальные напряжения с учетом (без учета) временной набрызгбетонной крепи, кПа.
\ Код 1 2 3 4 5
1 \ Ео, ГПа 3 И 18 26 34
> \ Код 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
§ и гМ С-} я О. СП 'ч1- С4 Ж С\ СП сч ж С\ СП 'ч|- СМ 0\ Ж О. СП 'ч1- 'ч1- СЧ см ж о\ СП 'чГ
1 г« о" 1 63° 1
2 68° 1
3 73° ■
4 78° ■
82° 4
2 г- Г-1 о 1 63°
2 68° ■
3 73° ■
4 78° 1
5 82° 1 ■
3 о са сГ 1 63° ■
2 68°
3 73° ■
4 78° 1
82° 1 ■
4 сн о" 1 63°
2 68° 1
3 73° 1
4 О оо г- ■
со 10 о Ч
5 СП СП о 1 63°
2 68° ■
3 73° ■
4 78° 1
5 82° ■
Рис. 2. Схема проведения неполного многофакторного анализа методом латинских квадратов
Для выявления взаимосвязи между исследуемыми параметрами использовали корреляционный анализ - коэффициент корреляции Пирсона, который рассчитывали с учетом полученных данных по формуле:
ООУ
ГХУ
^Х^ унб
Хунб I ( х - Х ХГнб -Гнб)
д/Х ( Х _ Х )2(Унб ~У нб )2
(2)
_ п
где X = — IX, - среднее значение выборки по значениям факторов;
у б = — Х у а - среднее значение выборки по значениям коэффициентов унб.
п »=1
В результате проведения первой серии расчетов было выявлено, что изменение физико-механических характеристик грунтового массива влечет за собой изменение значения коэффициента учета временной набрызгбетонной крепи.
Анализ данных второго этапа расчетов, выполненный с использованием программы 8ТЛТ18Т1СЛ, показал, что из всех рассмотренных факторов значительное влияние на изменение значений коэффициента учета временной набрызгбетонной крепи оказывает только модуль деформации грунтового массива Ео (рисунок 3).
По результатам третьей серии расчетов были определены коэффициенты унб для различных значений модулей деформации грунтового массива Ео, что отвечало критерию «достаточного количества наблюдений для изучения» и позволило провести корреляционный анализ, посредством которого были выявлены следующие зависимости изменения коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи
»=1
для сечения в сводовой части - сильная прямая ^ = 0,93); для сечения в полусводовой части - сильная прямая ^ = 0,95); для сечения в стеновой части - сильная прямая ^ = 0,94).
а)
б)
в)
Рис. З. Влияние исследуемых факторов на изменение значений коэффициента учета временной набрызгбетонной крепи: а - для сечения в сводовой части; б - полусводовой; в - стеновой
б
По результатам исследований степени и характера влияния основных механических характеристик грунта на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом и без учета влияния временной крепи с использованием методов математической статистики были установлены соотношения между значениями коэффициента унб и модулем деформации грунтового массива Ео, представленные в работе [9] а)
б)
в)
Рис. 4. Зависимость коэффициента унб от толщины временной крепи и модуля деформации грунтового массива: а - для сечения в сводовой части; б - полусводовой; в - стеновой
Для установления степени и характера влияния размеров поперечного сечения выработки на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля была проведена серия расчетов, в которой при определенных значениях изменяли величину пролета тоннельной выработки В. Анализ полученных данных показал, что изменение размеров поперечного сечения тоннельной выработки оказывает незначительное влияние на изменение значения коэффициента унб.
Для установления степени и характера влияния жесткости временной набрызгбетонной крепи на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля были проведены три серии расчетов, в каждой из которых при определенной толщине временной крепи выполнялось моделирование этапов проходки тоннельной выработки в скальных грунтах с различными значениями модулей деформации.
Результаты проведенных серий расчетов представлены графически на рисунке 4. На оси абсцисс показаны значения модулей деформации грунтового массива (ГПа), на оси ординат - значения коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи унб.
По результатам серии расчетов с использованием методов математической статистики были установлены следующие соотношения:
) = 0,2544h0,9064 ж lnE0 + 0,3695h-0,301 (3)
(иол,сеоа ) = 0,099h0,5588 ж ln E0 + 0,6183h-0,148 (4)
(_) = 0,2229h0,7827 ж lnE0 + 0,4988h-0,22 (5)
где Eo - модуль деформации грунтового массива, ГПа;
h - толщина временной набрызгбетонной крепи, м.
Формулы (3) - (5) могут применяться для определения коэффициента унб с целью учета
влияния временной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля,
вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве [8].
Проведение экспериментальных исследований
Задачей проведения экспериментальных исследований являлась необходимость установить правомерность использования в расчетах конструкций постоянных обделок транспортных тоннелей, найденных в ходе теоретических исследований функциональных зависимостей, учитывающих влияние наличия временной набрызгбетонной крепи.
Экспериментальные исследования были выполнены на трех транспортных тоннелях. Напряженное состояние временной крепи и обделки определяли методами тензометрии: при сооружение временной крепи и монолитной железобетонной обделки тоннеля в них устанавливали струнные деформометры (рисунок 5). Сечения, оснащенные деформометрами, располагались в различных инженерно-геологических условиях на 19-ти контрольных участках.
а)
б)
Рис. 5. Схема расположения датчиков в сечениях: а) постоянной обделки опытных участков
№7-13; б) временной крепи опытного участка №2
Исследования выполняли в 2008-2011 годах.
По результатам исследований получены данные о развитии во времени нормальных тангенциальных напряжений в конструкции.
Определение расчетных напряжений в сечениях постоянных обделок опытных участков №1, 7-13, 19 осуществляли путем выполнения серий численных экспериментов на пространственных конечно-элементных моделях по методике, использованной при проведении теоретических исследований. Проведен анализ полученных данных с оценкой правомерности использования в расчетах конструкций постоянных обделок тоннелей найденных в ходе теоретических исследований функциональных зависимостей, учитывающих влияние наличия временной набрызгбетонной крепи.
Результаты исследования представлены в виде диаграммы, на которых показаны значения напряжений, фактически действующих в сечениях постоянной обделки, в сравнении с расчетными значениями, определенными по существующей методике проектирования и значениями, полученными по предложенным зависимостям учета временной набрызгбетонной крепи (рисунок 6).
Рис. 6. Сравнение нормальных тангенциальных напряжений, действующих в сечениях постоянной обделки тоннеля на опытных участках №1, 7-13, 19
Сравнительный анализ напряжений, действующих в сечениях постоянной обделки, показал, что их фактические значения составляют от 41,3 до 89,3% от напряжений, определенных по предложенным зависимостям. Причинами возникновения разброса результатов натурных исследований могли являться технологические факторы, а также неравномерность распределения давления от окружающего выработку горного массива, что подтверждается данными экспериментальных исследований на опытных участках №2-6, 14-
Основные научные и практические результаты проведенных теоретических и экспериментальный исследований заключаются в следующем:
1. Выявлено, что при сооружении тоннелей горным способом в скальных грунтах, соответствующих области применения временной набрызгбетонной крепи, максимальное влияние на изменение значения коэффициента унб оказывает модуль деформации грунтового массива. Варьирование других механических характеристик в рассмотренном диапазоне скальных грунтов не оказывает значительного влияния.
2. Впервые получены эмпирические зависимости, которые могут быть использованы для определения коэффициента унб, с целью учета влияния временной набрызгбетонной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля, вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве.
3. Сравнительный анализ напряжений, фактически действующих в сечениях постоянной обделки, показал, что их значения составляют от 41,3 до 89,3% от напряжений, определенных по предложенным в настоящей работе зависимостям, что могло быть вызвано технологическими факторами, а также неравномерностью распределения давления от окружающего горного массива. При этом результаты натурных исследований подтвердили принципиальную возможность применения полученных эмпирических зависимостей при расчете конструкций постоянных обделок тоннелей с учетом временной набрызгбетонной крепи.
18.
Выводы
ЛИТЕРАТУРА
1. Арутюнов B.C., Гиренко И.В., Рзянский Д.Б., Курисько A.C. Набрызгбетон для тоннелей // Транспортное строительство. - 1986. - №4. - С. 24-26.
2. Гридасов В.В., Голото П.Е., Молчанов В.С., Полянкин Г.Н., Цибариус Ю.А. Инжиниринг и управление рисками в тоннелестроении // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, №1. - Новосибирск, 2012. - С. 33-38.
3. Жуков В.Н., Магдиев Ш.Р. Современные технологии набрызгбетонных работ в подземном строительстве // Метро и тоннели. - 2003. - №4. - С. 20-23.
4. Зерцалов Г.М., Устинов Д.В., Юфин С.А. Научное обоснование проектов
подземных сооружений методами численного моделирования // Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы,
Тоннельная ассоциация России: материалы международной научно-
практической конференции России. - М., 2002. - С. 414-417.
5. Меркин В.Е., Чеботаев В.В., Щекудов Е.В., Щелочкова Т.Н. Оптимизация
конструкции обделки большепролетных подземных выработок, сооружаемых по технологии НАТМ // Научные труды ОАО ЦНИИС. Транспортное
тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки. - 2008. -№248. - С. 7-11.
6. Смолин Ю.П., Ланис А.Л., Разуваев Д.А. Исследование динамических
воздействий автотранспортом на дорожную одежду, закрепленную
синтетическим полимером // Вестник ТГАСУ. - 2012. - №2. - С. 230-234.
7. Цибариус Ю.А. Учет временной набрызгбетонной крепи при определении напряженного состояния постоянной обделки тоннеля // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - Омск: СибАДИ, 2013. -№4(32). - С. 76-81.
8. Цибариус Ю.А. Исследование влияния податливой временной набрызгбетонной крепи на напряженное состояния постоянной обделки тоннеля // Известия Транссиба. - Омск, 2013. - №3. - С. 125-133.
9. Цибариус Ю.А. Напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом
податливой временной набрызгбетонной крепи // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы международной научнопрактической конференции. - Пермь: ПНИПУ, 2013. - Т. 3. - С. 440-448.
10. СП 122.13330.2012. Тоннели железнодорожные и автодорожные. - М.:
Стройиздат, 2012.
Рецензент: Молчанов Виктор Сергеевич, руководитель проекта по оперативной работе с проектными институтами, кандидат технических наук, доцент, закрытое акционерное общество «Бамтоннельстрой».
REFERENCES
1. Arutjunov B.C., Girenko I.V., Rzjanskij D.B., Kuris'ko A.C. Nabryzgbeton dlja
tonnelej // Transportnoe stroitel'stvo. - 1986. - №4. - S. 24-26.
2. Gridasov V.V., Goloto P.E., Molchanov V.S., Poljankin G.N., Cibarius Ju.A.
Inzhiniring i upravlenie riskami v tonnelestroenii // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka, №1. - Novosibirsk, 2012. - S. 33-38.
3. Zhukov V.N., Magdiev Sh.R. Sovremennye tehnologii nabryzgbetonnyh rabot v
podzemnom stroitel'stve // Metro i tonneli. - 2003. - №4. - S. 20-23.
4. Zercalov G.M., Ustinov D.V., Jufin S.A. Nauchnoe obosnovanie proektov podzemnyh sooruzhenij metodami chislennogo modelirovanija // Tonnel'noe stroitel'stvo Rossii i stran SNG v nachale veka: opyt i perspektivy, Tonnel'naja associacija Rossii: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii Rossii. - M., 2002. - S. 414-417.
5. Merkin V.E., Chebotaev V.V., Shhekudov E.V., Shhelochkova T.N. Optimizacija konstrukcii obdelki bol'sheproletnyh podzemnyh vyrabotok, sooruzhaemyh po tehnologii NATM // Nauchnye trudy OAO CNIIS. Transportnoe tonnelestroenie. Sovremennyj opyt i perspektivnye razrabotki. - 2008. - №248. - S. 7-11.
6. Smolin Ju.P., Lanis A.L., Razuvaev D.A. Issledovanie dinamicheskih vozdejstvij avtotransportom na dorozhnuju odezhdu, zakreplennuju sinteticheskim polimerom // Vestnik TGASU. - 2012. - №2. - S. 230-234.
7. Cibarius Ju.A. Uchet vremennoj nabryzgbetonnoj krepi pri opredelenii naprjazhennogo sostojanija postojannoj obdelki tonnelja // Vestnik Sibirskoj gosudarstvennoj avtomobil'no-dorozhnoj akademii. - Omsk: SibADI, 2013. -№4(32). - S. 76-81.
8. Cibarius Ju.A. Issledovanie vlijanija podatlivoj vremennoj nabryzgbetonnoj krepi na naprjazhennoe sostojanija postojannoj obdelki tonnelja // Izvestija Transsiba. - Omsk, 2013. - №3. - S. 125-133.
9. Cibarius Ju.A. Naprjazhennoe sostojanie postojannoj obdelki tonnelja s uchetom podatlivoj vremennoj nabryzgbetonnoj krepi // Modernizacija i nauchnye issledovanija v transportnom komplekse: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Perm': PNIPU, 2013. - T. 3. - S. 440-448.
10. SP 122.13330.2012. Tonneli zheleznodorozhnye i avtodorozhnye. - M.: Strojizdat, 2012.
