CC BY
37
УДК 624.19.035.2
УЧЕТ ВРЕМЕННОЙ НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОСТОЯННОЙ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ
Ю. А. Цибариус
Аннотация. В настоящее время учет набрызгбетонной крепи в расчете конструкции постоянной обделки затруднителен в связи с отсутствием универсальной методики проектирования. Данные о степени и характере влияния механических характеристик скальных грунтов, размеров тоннельной выработки и жесткости крепи на значение коэффициента учета податливой временной набрызгбетонной крепи, полученные в результате проведенных исследований, послужили основой для дальнейшей разработки универсальной методики проектирования.
Ключевые слова: набрызгбетон, тоннелестроение, временная крепь, численное моделирование, скальные грунты.
Ведение
Технология набрызгбетонирования при строительстве транспортных тоннелей в скальных грунтах позволяет обеспечить крепление подземной выработки после каждого этапа разработки с практически полной механизацией работ, в том числе для возведения податливой временной набрызгбетонной крепи (далее временная крепь) [1,2].
В результате анализа исследований, выполненных отечественными и зарубежными учеными, были выявлены следующие недостатки существующей методики проектирования постоянных обделок тоннеля с применением временной крепи данного вида:
- учет влияния временной крепи при помощи аналитических методов затруднителен вследствие громоздкости расчетного аппарата и большой трудоемкости вычислений;
- учет влияния временной крепи при помощи численных методов в настоящий момент носит частный характер (отдельные объекты);
- отсутствует универсальная методика проектирования постоянной обделки тоннеля с учетом временной крепи.
Все вышеперечисленные недостатки ведут к увеличению материалоемкости конструкций и трудоемкости производимых строительно-монтажных работ при строительстве тоннелей.
Целью исследования явилось определение степени и характера влияния основных механических характеристик грунта, геометрических параметров временной крепи на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом временной крепи.
Проведение исследований
Для исследования напряженного состояния постоянной обделки тоннеля с учетом и без учета временной крепи в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel» (Нидерланды) была создана расчетная пространственная конечно-элементная модель, представляющая однородный грунтовый массив, пересекаемый тоннельной выработкой. В силу симметрии поперечного сечения тоннеля относительно вертикальной оси расчетная модель была построена только для одной половины (рисунок 1a). Модель закреплена от горизонтальных смещений вдоль вертикальных боковых границ и вертикальных смещений вдоль нижней границы и позволяет моделировать раскрытие сечения тоннельной выработки на полный профиль и устройство набрызгбетонной крепи с последующим возведением постоянной монолитной железобетонной обделки [3].
Для моделирования приняли поперечное сечение автодорожного тоннеля №1 трассы «Совмещенная (автомобильная и железная) дорога Адлер - горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» (рисунок 1б).
Для моделирования грунтового массива использовали упругопластическую модель Мора-Кулона, характеризующуюся следующими параметрами: удельный вес y, угол внутреннего трения ф, удельное сцепление с, модуль деформации Е0 и коэффициент Пуассона v [4].
Тоннельная обделка была смоделирована при помощи программного инструмента Tunneldesigner, позволяющего создавать конструкции типа «сэндвич», состоящие из нескольких слоев.
а) б)
Рис. 1. Пространственная конечно-элементная модель (а) и поперечное сечение тоннеля (б)
Временную крепь (первый слой) моделировали плитными элементами с заданными жест-костями. Постоянную обделку тоннеля (второй слой) задавали при помощи кластеров - областей, полностью замкнутых линиями, в пределах которых свойства материала однородны. Толщина временной крепи принята равной 0,3 м, класс бетона - В25. Толщина постоянной обделки - 0,5 м, класс бетона - В25.
Расчет пространственной модели включал определение напряженного состояния системы «крепь - массив» на основных этапах проходки тоннельной выработки. Каждый этап расчета включал удаление кластера грунта на длине очередной заходки и устройство набрызгбе-тонной крепи. С некоторым отставанием от забоя выработки моделировали постоянную обделку.
Результаты расчетов оценивали в одном контрольном поперечном сечении тоннеля, расположенном на расстоянии 15 м от лицевой плоскости пространственной модели, с которой начинали моделирование проходки тоннельной выработки (рисунок 1а), что позволило исключить влияние граничных условий на распределение напряжений в грунтовом массиве.
В процессе проведения теоретических исследований основное внимание было уделено оценке напряженного состояния конструкции постоянной обделки в трех характерных точках(свод, полусвод,стена).
Для установления степени и характера влияния основных механических характери-
стик грунта на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом и без учета влияния временной крепи были проведены несколько этапов расчетов:
1) в первой серии расчетов определяли напряженное состояние постоянной обделки тоннеля для различных видов скальных грунтов, соответствующих области применения временной крепи ^ = 3,2-10,3);
2) второй этап состоял из двух серий, в каждой из которых при трех различных значениях принятого к рассмотрению параметра (угол внутреннего трения, удельное сцепление) выполняли расчет на пространственной конечно-элементной модели, при этом прочие физико-механические характеристики грунтов оставались неизменными;
3) на третьем этапе расчета была установлена зависимость коэффициентов учета временной крепи от модуля деформации грунтового массива в характерных точках постоянной обделки, для чего были выполнены расчеты, в которых при усредненных значениях основных физико-механических характеристик (р, ф, с) варьировались значения модуля деформации.
В результате проведенных расчетов были определены значения нормальных тангенциальных напряжений в характерных точках постоянной обделки, далее вычисляли значения коэффициентов учета временной крепи Yнб:
У нб =-
(1)
асу - нормальные тангенциальные напряжения с учетом временной крепи, кПа;
абу - нормальные тангенциальные напряжения без учета временной крепи, кПа.
При проведении корреляционного анализа результатов расчетов были выявлены следующие зависимости изменения коэффициентов учета податливой временной на-брызгбетонной крепи от значений модулей деформации грунтового массива Е0:
- 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).
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 следующие соотношений между значениями коэффициента Yнб и модулем деформации грунтового массива Е0 [5]:
унб = 0,07881пЕ0 + 0,5337 ; (2)
унб = 0,04761пЕ0 + 0,7397 ; (3)
унб = 0,08541пЕ0 + 0,6538 . (4)
Формула (2) применима для сечения в сводовой части постоянной обделки (достоверность аппроксимации 0,97), формула (3) -для сечения в полусводой части постоянной обделки (достоверность аппроксимации 0,95), формула (4) - для сечения в стеновой части постоянной обделки (достоверность аппроксимации 0,99).
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 физико-механических характеристик скальных грунтов (гранит, порфирит, песчаник кремнистый, мрамор, известняк, гнейс) изменяли величину пролета тоннельной выработки В.
Влияние поперечного сечения выработки на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля оценивалось по изменению значений коэффициента Yнб. Для проведения исследований были взяты следующие значения пролетов тоннельной выработки: 10,05 м (0,8В), 12,56 м (В) и 15,07 м (1,2В).
Значения коэффициентов учета временной крепи, полученные по результатам данной серии расчетов, приведены в таблице 1. Анализ полученных данных показал, что изменение размеров поперечного сечения тоннельной выработки оказывает незначительное влияние (<3 %) на изменение значения коэффициента учета временной крепи.
ст
ст
Таблица 1 - Значения коэффициента Yнб для сечения в сводовой/полусводовой/стеновой части тоннельной обделки при различных значениях пролета тоннельной выработки В
Грунт Значения коэффициента унб при пролете выработки В
0,8В В 1,2В
Гнейс 0,61/0,80/0,75 0,62/0,81/0,75 0,62/0,81/0,77
Известняк крепкий 0,68/0,82/0,78 0,68/0,82/0,79 0,69/0,83/0,80
Гранит 0,70/0,85/0,84 0,70/0,85/0,85 0,72/0,86/0,86
Мрамор 0,73/0,87/0,87 0,73/0,87/0,88 0,75/0,87/0,88
Песчаник кремнистый 0,75/0,87/0,89 0,76/0,87/0,89 0,76/0,88/0,90
Порфирит 0,80/0,91/0,95 0,80/0,91/0,95 0,80/0,91/0,95
Для установления степени и характера влияния жесткости временной 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.
А = п.1лл
-Логарнфмнчес кая (И * 0,3м)
-Яагарнфмнческая [И = 0,2м)
-Лога рифм нческая [И ^ 0,1м)
♦ Ь = 0,1ы ■ Н = 0,2« л Ь щ 0.3м
-ЛогариФмичс£кая [Ь - 0,3м)
-Логарифмическая [II = 0,2м)
-Логарифмическая (й - 0,1 м)
Рис. 2. Зависимость коэффициента учета податливой временной набрызгбетонной крепи от толщины временной крепи и модуля деформации грунтового массива: а - для сечения в сводовой части; б - полусводовой; в - стеновой
Влияние жесткости временной крепи на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля оценивалось по изменению значений коэффициента Yнб. Для проведения исследований были взяты следующие толщины временной крепи: 0,1 м, 0,2 м и 0,3 м. Результаты данной серии расчетов представлены на рисунке 2. На оси абсцисс показаны значения модуля деформации грунтового массива в ГПа, на оси ординат, соответствующие им значения коэффициентов учета временной крепи.
По результатам серии расчетов с использованием методов математической статистики были установлены следующие соотношения:
унб(СВ0Д) = 0,2544h0,9064 х 1пЕо + 0,3695И-0,301 ;(5)
Унб(полусвод) = 0,099И0,5588 х 1пЕ0 + 0,6183И-0148 ; (6) Унб(стена) = 0,2229И0,7827 х 1пЕ0 + 0,4988И-0,22 .(7)
Формулы (5) - (7) могут применяться для определения коэффициента Yнб с целью учета влияния временной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля, вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве.
Выводы
Таким образом, в результате проведения численного эксперимента было выявлено следующее:
1) Установлены, с использованием методов математической статистики, соотношения между значениями коэффициента учета временной крепи Yнб и модулем деформации грунтового массива Е0;
2) Изменение пролета тоннельной выработки В оказывает незначительное влияние (<3 %) на значения коэффициента учета временной крепи Yнб;
3) Установлены, с использованием методов математической статистики, соотношения между значениями коэффициента учета временной крепи Yнб, толщиной временной крепи И и модулем деформации грунтового массива Е0, которые могут применяться с целью учета влияния временной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля, вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве.
Библиографический список
1. Арутюнов B. C., Гиренко И. В., Рзянский Д. Б., Курисько A. C. Набрызгбетон для тоннелей // Транспортное строительство. - 1986 - №4 - С. 24-26.
2. Жуков В. Н., Магдиев Ш. Р. Современные технологии набрызгбетонных работ в подземном строительстве // Метро и тоннели. - 2003 - №4 - С. 20-23.
3. 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.
4. 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.
5. Цибариус Ю. А. Напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом податливой временной набрызгбетонной крепи // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы международной научно-практической конференции (Пермь, 25-27 апреля
2013 г.). - Пермь, 2013 - С. 440-448.
TENSITY OF PERMANENT TUNNEL LINING WITH TEMPORARY SHOTCRETE LINING FACTOR
Yu. A. Tsibarius
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.
Keywords: shotcrete, tunnel construction, temporary supports, numerical modeling, rock.
Цибариус Юрий Александрович - аспирант кафедры «Геология, основания и фундаменты» Сибирского государственного университета путей сообщения. Основное направление научных исследований - напряженное состояние конструкций постоянных обделок транспортных тоннелей. Имеет 17 опубликованных работ. Адрес электронной почты - yustu@yandex.ru.
