Автореферат (1173113), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В ближайшие 10 лет в Таджикистане планируется строительство трех автодорожных тоннелей на автомобильной дороге Душанбе-Кульма, один автодорожный тоннель на обходной дороге7зоны водохранилища Рогунской ГЭС и 16 км железнодорожных тоннелей научастке Вахдат – Карамык.В соответствии с действующими нормами проектирования сложные инженерно-геологические условия характеризуются наличием слабых пород, не оказывающих сопротивления деформациям обделки под нагрузкой; водоносных породпри гидростатическом давлении более 0,1 МПа; слабых полускальных и скальныхсильнообводненных пород с притоком воды более 200 м3/ч на забой; величинойпрогнозируемого горного давление на обделку более 0,6 МПа; сейсмичность. Большинство из вышеперечисленных условий можно встретить в нарушенных тектонических структурах сплошности, к которым относятся сбросы, взбросы, сдвиги,надвиги, разломы.
В зонах разломов горная порода является раздробленной и неустойчивой и при проходке таких участков вероятность обвальных процессовочень велика, что зачастую приводит к аварийным ситуациям (обрушение и вывалы породы, разрушение временной и постоянной крепи тоннеля). Кроме того,увеличиваются сроки и стоимость строительства.В сложных горно-геологических условиях применение традиционных способов проходки, оказывается, неэффективным, из-за временного интервала между обнажением поверхности выработки и ее закреплением, на сокращение которого инаправлены все проводимые конструктивно – технологические мероприятия. Внастоящее время в сложных горно-геологических условиях получили развитие различные виды временной контурной и забойной крепи, которые устраиваются в основном до раскрытия выработки.
К ним относятся контурные и забойные опережающие крепи в виде анкеров и бетонных сводов, экранов из труб, стабилизированного грунта (замораживание, химическое закрепление, струйная цементация), атакже фибергласовые нагели. С применением опережающей крепи построены многие транспортные тоннели и городские подземные сооружения в Великобритании,Германии, Франции, Италии, России, США, Японии, Сингапуре и др. странах.Технико-экономические сравнение различных видов опережающих крепей показало, что для преодоления зон разломов, характерных для горно-геологическихусловий Таджикистана наиболее эффективны экраны из труб, позволяющие вестипроходку под их защитой с длиной заходки до 12-15 м.8Во второй главе представлены методы исследований и расчета опережающихэкранов из труб, в том числе на основе строительной механики и механики грунтов,аналитические, экспериментальные и численные методы расчета.В странах ЕС, США, России, Японии, и др.
накоплен большой опыт строительства тоннелей под защитой экранов из труб, разработаны прогрессивные конструктивные и технологические решения применительно к разнообразным градостроительным и инженерно-геологическим условиям, созданы нормативные документы, регламентирующие требования к конструированию, расчету и технологии возведения защитных экранов и проходки тоннельных выработок.Исследованиями работы опережающих крепей тоннелей в СССР и России занимались Асратян Д.Р., Безродный К.П., Гарбер В.А., Колин В.В., МаковскийЛ.В., Меркин В.Е., Старчевская Л.Л., Чеботаев В.В., Чеботарев С.В., ЩекудовЕ.В. и др.
За рубежом методика расчета опережающих крепей отражены в работахG.M. Volkman, Shubert W.A. (Австрия), P.P. Oresta, D. Peila (Италия), N. Vlachopoulos, M. Diederiches, J. Oke, (Канада), I. Ocak (Турция), Ki-Il Song, Kim S.H,(Южная Корея), I. Harazaki, H. Anon, A. Matsuda, Y. Hakoishi (Япония) и др.Методы расчета защитного экрана из труб с использованием аппарата строительной механики в зависимости от схемы опирания на поддерживающие элементы и грунт разделяют на расчет многопролетных неразрезных балок и балокна упругом основании. Вторая схема предпочтительнее, так как она учитываетвзаимодействие экранов с поддерживающими элементами и грунтовым массивом.Аналитические методы расчета крепи базируются на механике подземныхсооружений и основаны на представлении о крепи и окружающем массиве как единой деформируемой системе, элементы которой находятся в состоянии контактного взаимодействия.
Несмотря на эффективность аналитических методов расчета,в сложных горно – геологических условиях, в частности, в зонах разломов, они непозволяют получить достоверную картину НДС системы крепь-массив.Методы расчета на основе результатов экспериментальных лабораторных инатурных исследований являются эффективными для отдельных участков тоннеля,но применение их связано с необходимостью проведения трудоемких измерений сиспользованием многочисленных инструментов и оборудования.В последние годы с развитием компьютерных технологий при исследованиинапряженно-деформированного состояния (НДС) породного массива и конструкции тоннеля широко применяют численное моделирование.
Наиболее9распространенным методом численного моделирования при решении геотехнических задач является метод конечных элементов (МКЭ). На основе МКЭ разработаны многочисленные программные комплексы для моделирования тоннелей, втом числе Abaqus, Afena, Ansys, Cosmos/M, Itasca, Geo5, Midas GTS NX, Nastran,Plaxis, Z-Soil. К достоинствам численного моделирования можно отнести возможность учета сложных горно-геологических условий, т.е.
неоднородность строениягорных массивов (разломы, разрывы) с различными физико-механическими свойствами, а также выявление закономерностей поведения конструкции тоннеля вовзаимодействии с породным массивом на различных этапах строительства с варьированием расчетных параметров.Третья глава посвящена разработке пространственной конечно-элементноймодели, имитирующей поведение системы «тоннель – массив» на участке зон тектонических разломов и исследованию влияния тектонических разломов на НДСмассива и конструкции обделки тоннеля в зависимости от физико-механических ипрочностных свойств горной породы (E, C, , γ, m), ширины и угла раскрытия (Bp,αp) по отношение к оси тоннеля.Достоверное прогнозирование напряжений и деформаций в конструкции тоннеля и своевременное предотвращение обрушений породы и обделки в зонах разлома является одной из сложнейших проблем тоннелестроения.Для исследования использовался южнокорейский геотехнический программный комплекс Midas GTS NX 2017.
Грунты рассматривались как изотропные материалы в соответствии с моделью Друкера-Прагера. Временная и постоянная крепьрассматриваются как упругоизотропные материалы. Физико-механические и прочностно-деформационные характеристики грунта, расположенного до и после разлома и грунта самого разлома, подлежали варьированию. Варьировались такжеспособы разработки забоя, ширина и угол разлома. На основе варьируемых факторов основного грунта и грунта разлома была составлена матрица планированиячисленных экспериментов, включающая 31 серию расчетов. Инженерно-геологические данные характерны для грунтов, расположенных по трассе горных автодорожных тоннелей «Озоди» и «Хатлон» в Таджикистане. При моделировании тоннеля выбраны геометрические и конструктивные параметры автодорожного тоннеля Хатлон (рис. 1). В качестве крепи тоннеля были применены набрызг-бетонтолщиной 25 см, монолитный железобетон толщиной 45 см и радиальные10стержневые анкеры длиной 3,5 м.
Размеры пространственной численной моделисоставляют 100 м по оси X, 96 м по оси Y и 100 м по оси Z (рис. 2).б)а)Рис. 1. Продольный разрез (а) и поперечное сечение исследуемой модели тоннеля (б): 1 – тоннель; 2 – зона разлома; 3 – основная порода; 4 - набрызг-бетон; 5– анкерная крепь; 6 – монолитный железобетон;αр - угол расположения разлома;Bр – ширина участка разлома; A –узел в верхнем своде; B – узел в обратном своде,С, D – соответственно узлы на левой и правой боковых стенах (Примечание: размеры в метрах).а)б)Рис. 2. Численная 3D модель системы «грунтовый массив – тоннель» в зоне разлома: (а) - генерация сетки всей модели; (б) - генерация сетки тоннеля. (Примечание: Размеры в метрах)Минимальное значение модуля деформации участка разлома в данных экспериментах составляет E02=500 мПа, максимальный E02=1000 мПа.
Максимальное11значение модуля деформации основного грунта составляет E01=20 000 мПа, а минимальное E01=5000 мПа.Результаты исследований показали, что физико-механические п прочностно-деформационные свойства самого грунта разлома, существенно влияют наНДС тоннельной обделки при проходке нарушенного участка. Как видно из графиков вертикальных и горизонтальных перемещений (рис. 3 и 4) а также значение искачкообразное колебание главных напряжений в зоне разлома, зависит, как от самих параметров грунта разлома, так и от грунтов окружающих его. Для этой целибыл использован параметр соотношения модуля деформации окружающего грунта(E01) к модулю деформации грунта разлома (E02).а)б)Рис. 3.
Вертикальные перемещения в расчетных узлах верхнего (а) и обратного свода (б)Во всех экспериментах на участке разлома в графиках наблюдаются скачки значений вертикальных перемещений. Максимальное значение вертикальных перемещений в замке наблюдается при величине модуля деформации основного грунтаЕ01=5000 мПа и модуля деформации разлома Е02=1000 мПа, т.е. при Е01/Е02=5. ПриЕ01/Е02=20 наблюдается минимальное значение вертикальных перемещений, который на 51,35 % меньше. Следует отметить, что на данном графике имеет место соотношение Е01/Е02=40, что в 2 раза больше предыдущего.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
