CC BY
10
6. Deev P. V., Tsukanov A. A. Stress state of the lining of the tunnel, close to the border section of the breeds // Izvestiya of the Tula state University. Earth sciences. 2021. Issue. 2. pp. 278-287.
7. The influence of the technological gap on the stressed condition of tunnel linings / P.V. Deev, A.S. Sammal, S.V. Antsiferov, N.V. Shelepov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018. Issue 4. pp. 287-293.
8. Taking into account the technological features of the shield method of tunneling when calculating tunnel linings / A.N. Ponkratenko, A.S. Sammal, S.V. Antsiferov, P.V. Deev // Mining information and Analytical bulletin (scientific and technical journal). 2017. No. S1. pp. 212-224.
9. Kachurin N.M., Afanasyev I.A. Determination of the probability of geodynamic risk for an underground structure // Proceedings of Tula State University. Natural sciences. 2011. Issue 3. pp. 262-267.
10. Bulychev N.S., Amusin B.Z., Olovyanny A.G. Calculation of the support of capital mining. M.: Nedra. 1974. 320 p.
11. Protosenya A.G. Development of principles of small-scale construction of underground structures in engineering and geological conditions of St. Petersburg / Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2019. No. S7. pp. 286-297.
УДК 622.2 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-590-600
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАССИВА ПРОТЕРОЗОЙСКИХ ГЛИН С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ
Д.А. Соловьев, С.В. Анциферов, А.С. Саммаль, П.В. Деев
Рассмотрена методика повышения устойчивости грунтового массива, сложенного из протерозойских глин и четвертичных отложений при проходке выработки большого сечения. В статье приведено описание математической модели, и на основе этой модели проводился анализ вариантов опережающей крепи выработки. Перечислены некоторые рекомендации об эффективном применении анкерной крепи.
Ключевые слова: анкерная крепь, математическое моделирование, метод конечных элементов.
Снижение деформаций грунтового массива при строительстве тоннелей большого сечения особенно актуально в крупных городах, в условиях плотной городской застройки. Снижение деформаций грунтового массива осложняется тем, что часть из них проходит в пространстве перед выработкой. По некоторым данным, в плотных глинах 40 % вертикальных осадок дневной поверхности происходит впереди груди забоя тоннеля [1 -4]. Деформации грунтового массива в призабойной зоне требуют особого внимания и рассмотрения возможных способов их уменьшения. Поэтому особый интерес представляет использование опережающей анкерной крепи. На практике опережающая крепь груди забоя, как правило, - это комбинация полимерных анкеров и металлических труб.
Для анализа параметров крепи рассмотрена выработка, наиболее интересная с точки зрения исследования, в условиях подземной проходки в протерозойских глинах. Задача решена в объёмной постановке с использованием удобной в практическом отношении методики численного расчета - метода конечных элементов (МКЭ).
Для математического моделирования использовался программный комплекс Plaxis.
Моделирование осуществлено для области грунтового массива, размеры которого определены в соответствии с поставленными задачами и с учетом зоны влияния тоннеля. Высота выделенного участка массива составила 100 м, а ширина - 25 м. Длина массива по оси 2 составила 36 м.
Протяженность тоннеля в массиве составила 12 м. Так как рассматриваемая задача симметрично относительно вертикальной оси У, для упрощения расчёта взята половина моделируемого массива.
Разрез сделан по вертикальной оси симметрии обделки тоннеля.
Для моделирования крепи тоннеля использовались оболочечные, линейно-упругие элементы со следующими деформационными характери-
6 2
стиками: ЕА = 9,00 -10 кН/м, кНм/м, где ЕА, Е1 - осевая и изгибная
жесткость соответственно.
Для моделирования постепенного набора устойчивости крепи деформационные характеристики крепи варьировались от 100 % до 25 % с шагом 25 %. При моделировании участок выработки протяженностью 1 м не подкреплялся крепью и разрабатывался на полное сечение. На расстоянии 1 м от забоя начинался участок крепи протяженностью 2 м с характеристиками 25 % от полных деформационных характеристик крепи. На расстоянии 3 м от забоя начинается участок крепи с характеристиками 50 % от полных деформационных характеристик крепи. На расстоянии 5 м от забоя начинается участок крепи с характеристиками 75 % от полных деформационных характеристик крепи, также имеющий протяженность 2 м. На расстоянии 7 м от забоя начинается участок крепи со 100 % деформационных характеристик, протяженностью до передней грани массива. Данный участок моделирует набрызгбетонную крепь.
Опережающее крепление груди забоя осуществлялось посредством устройства анкерной крепи. Анкерная крепь выполняется пробуренными скважинами диаметром 130 мм с последующим заполнением их фиберг-лассовой смесью и цементно-песчаным раствором на всём протяжении скважин. На практике длина скважин составляет 12 м, но в модели был рассмотрен вариант с минимальной длиной анкеров, так как по мере проходки протяженность укреплённого целика уменьшается, и следующая группа скважин будет буриться по достижении минимально возможной протяженности укреплённого целика, которая составляет 6 метров. Анкерная крепь груди забоя моделировалась линейно-упругими элементами со
следующими прочностными характеристиками: ЕА = 3,98 -106 кН/м; Е1 = 400 кНм /м. В данной задаче было принято решение сделать жесткий контакт анкера с грунтовым массивом. По результатам испытаний, которые были выполнены в работе [5 - 8], выяснено, что при должной методике заполнении тела анкера цементно-песчаным раствором через трубу, удается достичь сцепления раствора по глине, равным сцеплению глины. В противном случае, анкера не только могут не укрепить грунтовый массив, но даже и ослабить его.
В модели рассматривалась опережающая крепь кровли забоя стальными трубами диаметром 120 мм, с заполнением цементно-песчаным раствором. В модели протяженность опережающей крепи кровли составляет 8 м, с учётом минимально допустимого опережения крепи груди забоя на 2 м. Опережающая крепь кровли моделировалась линейно-упругими элементами со следующими прочностными характеристиками: Еа = 3,93 кН/м, Е1 = 305 кНм /м. Расчетная схема представлена на рис. 1.
а
Рис. 1. Расчетная схема расположения моделируемого тоннеля: а - общее расположение тоннеля в грунтовом массиве; б -расположение тоннеля в протерозойских глинах
Грунтовый массив был представлен объемными элементами, деформирование которых происходило по закону пластического деформирования Мора-Кулона. Рассматривался массив, состоящий из двух напластований 70 и 30 м. Тоннель в массиве располагался таким образом, чтобы от верхней части свода тоннеля до кровли нижнего слоя грунтов было 10 м. Индивидуальные грунтовые элементы первого напластования имели следующие значения физико-механических характеристик: угол внутреннего трения ф = 30о; сцепление С = 80 кПа; модуль деформации Е = 20 МПа, плотность 2,0 т/м , коэффициент Пуассона V = 0,3. Индивидуальные грунтовые элементы второго напластования имели следующие значения физико-механических характеристик: угол внутреннего трения ф = 23о; сцепление С = 300 кПа; модуль деформации Е =100 МПа, плотность 2,3 т/м , коэффициент Пуассона v=0,33.
Была рассмотрена выработка диаметром 10 м, т.к. такой диаметр часто встречается при строительстве станционных комплексов [9 - 11]. В качестве граничных условий заданы запреты перемещений узлов системы в направлении оси У по нижней границе грунтового массива, по оси X - по боковым границам массива, в направлении оси Ъ - по передней и задней границам массива. Все элементы, моделирующие конструкции и грунтовый массив, находятся под действием сил тяжести.
При моделировании рассматривались три варианта разработки забоя с раскрытием на полное сечение. В первом варианте забой после разработки на полное сечение оставался неподкреплённым до окончания деформаций. Такой вариант разработки забоя представлен на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема 1-го варианта. Забой после разработки на оставался неподкреплённым до окончания деформаций
Во втором варианте разработки забоя была применена опережающая крепь груди забоя протяженностью 6 м по оси тоннеля. Расчетная схема такого варианта представлена на рис. 3.
Рис. 3. Расчетная схема 2-го варианта. Применена опережающая крепь груди забоя протяженностью 6 м по оси тоннеля
В третьем варианте помимо крепления груди забоя осуществляется установка опережающей крепи кровли выработки от горизонтального диаметра и выше. Вариант моделирования представлен на рис. 4.
Рис. 4. Расчетная схема 3-го варианта. Помимо крепления груди забоя,
осуществляется установка опережающей крепи кровли выработки от горизонтального диаметра и выше
С учётом особенностей математического моделирования грунтового массива и соотнесения модели пластического деформирования Мора-Кулона с фактическим поведением грунта в массиве, принятого на основе опыта проектирования и проходки выработок в протерозойских глинах, сделано предположение, что разрушение грунта в забое будет проходить в области наибольшего накопления точек пластических деформаций. На основании предположения о «хрупком» поведении протерозойских глин, разрушение грунта в области накопления наибольшего числа точек пластических деформаций будет приводить к образованию трещин и последующему отделению разрушенного целика грунта от массива, что, скорее всего, приведёт к дополнительным деформациям.
Получены следующие результаты моделирования.
Расчетная схема № 1. Наибольшие деформации наблюдаются в центральной части плоскости груди забоя и составляют 82 мм. Область разрушения грунта, основанная на проявлении точек пластических деформаций, наблюдается на протяжении 5.. .6 м от груди забоя и представлена в форме конуса.
Расчетная схема № 2. Наибольшие деформации наблюдаются в центральной части плоскости груди забоя и составляют 54 мм. Область разрушения грунта, основанная на проявлении точек пластических деформаций от вывалов, наблюдается на протяжении 2 м от груди забоя. Встречаются точки пластических деформаций по длине анкеров.
Расчетная схема № 3. Картина перемещений в грунтовом массиве представлена на рис.5. Наибольшие деформации наблюдаются в центральной части плоскости груди забоя и равны 53 мм.
Рис. 5. Деформации грунтового массива по оси тоннеля по мере удаления от забоя (расстояние в метрах)
На рис. 5 представлено сравнение данных результатов моделирования задачи по четырем расчетным схемам. Расчетные схемы с 1 по 3 описаны выше. В четвертой расчетной схеме в работу включены 50 % анкеров крепления груди забоя. Представлены значения проекции общих деформаций на ось 2 (вдоль оси тоннеля), значения приведены для центральной части забоя, где достигаются максимальные деформации. Значения деформаций приведены в зависимости от удаленности от груди забоя в метрах (по оси 2 для математической модели) в направлении установки анкеров.
На рис. 5 представлено сравнение всех расчетных схем по значениям проекции деформаций грунтового массива на ось 2 (вдоль оси тоннеля) в центральной части забоя (область наибольших деформаций). На рис. 5 видно, что есть значительное отличие графика расчетной схемы 1 от остальных графиков. График расчетной схемы 1 в плоскости груди забоя дает значительные деформации, до 82 мм, а в дальнейшем график пересекается с графиками данных деформаций расчетных схем, где имеется укрепление массива анкерной крепью. Данный график дает нам представление об области максимальных деформаций и границе области, которая посредством анкерной крепи позволяет значительно уменьшить деформации груди забоя. Пересечение графиков происходит на удалении 4 метров по оси тоннеля. Деформации незакреплённого массива в области после 4 м в первой расчетной схеме меньше, чем в остальных. Следовательно, что после 4 метров от груди забоя в данных условиях находится область грунтового массива, в меньшей степени подверженная деформациям. Включение данной области (6 м по оси тоннеля от груди забоя) в работу посредством устройства анкерной крепи позволяет в значительной степени снизить величину деформаций груди забоя (приблизительно 34 %).
Заметим, что с уменьшением количества анкеров на 50 % при данной схеме их расстановки увеличение деформаций практически не происходит. Это значит, что, в зависимости от инженерно-геологических условий и очертания выработки, необходимо подбирать индивидуально схему расстановки анкеров и их количество, т.к. в определенный момент, по мере увеличения количества анкеров, снижение деформаций прирастает незначительно. Возможно нарушение сплошности массива вследствие технических особенностей применения данной технологии.
Анализ параметров крепи выработки в протерозойских глинах показал, что напряженно-деформированное состояние грунтового массива без крепления забоя, с креплением забоя фиберглассовыми анкерами и с креплением забоя фиберглассовыми анкерамии и устройством опережающей крепи кровли будет различным. Результаты сравнения деформаций груди забоя при различных расчетных схемах показали, что наибольшие
деформации развиваются в центральной части забоя. Применение опережающей крепи груди забоя, выполненной в скважинах с использованием фиберглассовых анкеров и цементно-песчаного раствора, позволяют снизить деформации груди забоя приблизительно на 34 %.
При выбранных для исследования очертаниях выработки и физико-механических характеристиках вмещающего выработку грунтового массива, на расстоянии 4.. .6 м от груди забоя наблюдается область грунтового массива, не задействованного в деформациях. Устройство опережающей крепи, выполненной в скважинах с применением фиберглассовых анкеров и цементно-песчаного раствора, позволяет значительно снизить деформации грунтового массива за плоскостью груди забоя по оси тоннеля, за счет включения этой области в процесс деформаций. После определенного количества анкеров дальнейшее увеличение их количества малоэффективно. Оптимальное их количество зависит от длины заделки, жесткости анкеров и физико-механических свойств грунтового массива.
Во всех расчетных схемах были рассмотрены области проявления точек пластического деформирования от плоскости груди забоя на шесть метров в сторону проходки по оси тоннеля. Область пластических деформаций представлена конусом, который основанием расположен на плоскости груди забоя, а сужающаяся часть направлена вдоль оси тоннеля в направлении проходки. В условиях математической модели контакт «анкера - глина» принят равным сцеплению протерозойской глины. В натурных условиях необходимо обеспечить надежный контакт анкера и глины, в противном случае анкер может не столько увеличить устойчивость груди забоя, сколько ослабить наличием пустот. Для более надежного заполнения рекомендуется использовать высокоподвижные смеси на расширяющемся цементе.
Список литературы
1. Attewell P.B., Woodman J.P. Predicting the dynamics of ground settlement and its derivatives caused by tunneling in soil // Ground Engineering. 1982. Vol. 15 (8). P. 13-22.
2. Кулагин Н.И. Исследование рациональных методов сооружения односводчатых станций метрополитена в протерозойских глинах: автореф. ... дис. канд. техн. наук. Ленинград, 1977. 24 с.
3. Механика подземных сооружений. Пространственные модели и мониторинг /А.Г. Протосеня [и др.] // СПб. СПГГУ-МАНЭБ, 2011. 355 с.
4. Лиманов, Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружений тоннелей в кембрийских глинах. Ленинград, 1957. 239 с.
5. Фролов Ю.С., Голицинский Д.М., Ледяев А.П. Метрополитены. М.: Желдориздат, 2001. 528 с.
6. Араманович И.Г. О распределении напряжений в упругой полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием // Докл. АН СССР. М. 1955. Т. 104. № 3. С. 372-375.
7. Безродный К.П., Лебедев М.О. Формирование напряженного состояния временной крепи при строительстве транспортного тоннеля СКЖД вблизи склона // ГИАБ (научно-технический журнал). 2012. № 6. С. 237-244.
8. Беляков Н.А. Геомеханическое обоснование параметров крепления железнодорожных тоннелей в условиях Северного Кавказа // Записки горного института. Санкт-Петербург, 2010. Т. 186. С. 99-103.
9. Богомолов Г.М., Голицынский Д.М., Меркин В.Е. Справочник инженера-тоннельщика. М.: Транспорт, 1993. 389 с.
10. Князева С.В. Математическое моделирование напряженного состояния многослойной обделки тоннеля, сооружаемого вблизи склона / Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений // Сб. науч. тр. междунар. конф., Екатеринбург 18-20 мая 2004. Екатеринбург: Изд-во УГГГА. 2004. С. 169-172.
11. Ковальский Е.Р., Мозер С.П., Медведсков М.А. Оценка параметров напряженно-деформированного состояния массива в окрестности транспортной выработки // Записки Горного института. Санкт-Петербург, 2013. Т. 206. С. 78-80.
12. Корнеева Н.Н. Исследование зависимости напряженного состояния обделок круговых тоннелей, сооружаемых вблизи склонов от основных влияющих факторов // ГИАБ (научно-технический журнал). № 11. 2001. М.: Изд-во МГГУ. С. 142-145.
13. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. 707 с.
14. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика / под общ. ред. Е.А. Сорочана, Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.
15. Протосеня А.Г., Беляков Н.А. Определение пространственного напряженно-деформированного состояния временной крепи железнодорожного тоннеля с учетом влияния земной поверхности // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. 1. С. 158-166.
16. Протосеня А.Г., Беляков Н.А. Метод прогноза напряженно-деформированного состояния обделок двух взаимовлияющих тоннелей с учетом технологии строительства // Записки Горного института. Санкт-Петербург, 2012. Т. 199. С. 128-133.
17. Саммаль А.С., Князева С.В. Расчет многослойной обделки тоннеля, сооружаемого вблизи склона на действие собственного веса пород // Известия ТулГУ. Сер. «Геомеханика. Механика подземных сооружений». 2004. Вып. 2. С. 3-11.
Соловьев Дмитрий Андреевич, инженер, siberian_egl@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I,
Анциферов Сергей Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой ecologytsu _ tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Саммаль Андрей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., ecology tsu _ tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Деев Петр Вячеславович, д-р техн. наук, проф., ecology_tsu _ tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INTERACTING MASSIF OF PROTEROSOIC CLAYS WITH ADVANCED
ANCHOR LINING
D.A. Soloviev, S.V. Antsiferov, A.S. Sammal, P.V. Deev
The article considers the method of increasing the stability of the soil mass, composed of Proterozoic clays and Quaternary sediments when driving a large section mine. The article provides a description of the mathematical model and on the basis of this model an analysis of the options for the leading support of the development was carried out. Some recommendations on the effective use of roof bolting are listed.
Key words: anchor lining, mathematical modeling, finite element method.
Solovyov Dmitry Andreevich, engineer, siberian_egl@,mail. ru, Russia, St. Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University,
Antsiferov Sergey Vladimirovich, doctor of technical sciences, prof. , head. of chair, ecology tsu _ tula @ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sammal Andrey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, ecology_tsu _ tula @ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Deev Petr Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, ecology_tsu _ tula @ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Attewell, P. B., Woodman, J. P. Predicting the dynamics of ground settlement and its derivatives caused by tunneling in soil // Ground Engineering. 1982. Vol. 15 (8). P. 13-22.
2. Kulagin N. And. The study of sustainable construction vaulted underground stations in the Proterozoic clay: Avto-Ref. ... dis. kan. of technical sciences. Leningrad. 1977. 24 P.
3. Mechanics of underground structures. Spatial models and monitoring /A.G. Proto-senya [et al.] // SPb. SPGGU-MANEB, 2011. 355 p.
4. Limanov, Yu.A. Precipitation of the Earth's surface during the construction of tunnels in Cambrian clays. Leningrad: 1957. 239 p.
5. Frolov Yu.S., Golitsinsky D.M., Ledyaev A.P. Metropoliteny. M.: "Zheldorizdat". 2001. 528 p.
6. Aramanovich I.G. On stress distribution in an elastic semi-plane weakened by a reinforced circular hole // Dokl. USSR Academy of Sciences. M. 1955. T. 104. No. 3. pp. 372-375.
7. Bezrodny K.P., Lebedev M.O. Formation of a tense state of temporary support during the construction of a transport tunnel of the SKZHD near the slope // GIAB (scientific and technical journal). 2012. No. 6. pp. 237-244.
8. Belyakov N.A. Geomechanical substantiation of the parameters of fastening railway tunnels in the conditions of the North Caucasus // Notes of the Mining Institute. Saint Petersburg. 2010. Vol. 186. pp. 99-103.
9. Bogomolov G.M., Golitsynsky D.M., Merkin V.E. Handbook of tunnel engineer. M.: Transport. 1993. 389 p.
10. Knyazeva S.V. Mathematical modeling of the stress state of the multilayer lining of a tunnel constructed near the slope / Design, construction and operation of complexes of underground structures // Sb. nauch. tr. mezhdunar. conf., Yekaterinburg, May 18-20, 2004. Ekaterinburg. Publishing house of UGGA. 2004. pp. 169-172.
11. Kovalsky E.R., Moser S.P., Medvedskov M.A. Evaluation of the parameters of the stress-strain state of the massif in the vicinity of transport workings // Notes of the Mining Institute. St. Petersburg. 2013. Vol. 206. pp. 78-80.
12. Korneeva N.N. Investigation of the dependence of the stress state of the lining of circular tunnels constructed near slopes on the main influencing factors // GIAB (scientific and technical journal). No. 11. 2001. Moscow: Publishing House of the Moscow State University. pp. 142-145.
13. Muskhelishvili N.I. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity. Moscow: Nauka. 1966. 707 p.
14. Foundations, foundations and underground structures. The designer's handbook / under the general editorship of E.A. Sorochan, Yu.G. Trofimenkov. M.: Stroyizdat. 1985. 480 p.
15. Protosenya A.G., Belyakov N.A. Determination of the spatial stress-strain state of the temporary support of a railway tunnel taking into account the influence of the Earth's surface // Proceedings of the Tula State University. Earth sciences. 2011. Issue 1. pp. 158166.
16. Protosenya A.G., Belyakov N.A. Method of forecasting the stress-strain state of the lining of two mutually influencing tunnels taking into account construction technology // Notes of the Mining Institute. St. Petersburg. 2012. Vol. 199. pp. 128-133.
17. Sammal A.S., Knyazeva S.V. Calculation of the multilayer lining of a tunnel constructed near a slope on the effect of its own weight of rocks // Izvestiya Tula State University. Ser. "Geomechanika. Mechanics of underground structures". 2004. Issue. 2. pp. 3-11.
