Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическая оценка влияния технологий строительства микротоннелей на несущую способность близко расположенных тоннелей

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическая оценка влияния технологий строительства микротоннелей на несущую способность близко расположенных тоннелей"

На правах рукописи

НГУЕН Куанг Хюи

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

СТРОИТЕЛЬСТВА МИКРОТОННЕЛЕЙ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ БЛИЗКО РАСПОЛОЖЕННЫХ ТОННЕЛЕЙ

Специальности: 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005558866

12 ФЕВ 2015

Тула 2015

005558866

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт».

Научный руководитель:

Панкратенко Александр Никитович, доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»».

Официальные оппоненты:

Деев Петр Вячеславович, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» / кафедра «Механика материалов», доцент;

Свиридкин Вячеслав Александрович, кандидат технических наук, ООО «ТеплоМонтаж» / начальник производственного отдела.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово.

Защита диссертации состоится « % 2015 г. в ^Ц, чООл-ш.

на заседании диссертационного совета Д212.271.04 Тульского государственного университета по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6 учебный корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета» и на сайте.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, Ученый Совет ТулГУ, факс(4872) 35-81-81.

Автореферат разослан « 2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ( //Копылов Андрей Борисович

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие инфраструктуры современных мегаполисов невозможно без интенсивного использования подземного пространства, предусматривающего не только безаварийное поддержание существующих коммунальных и транспортных тоннелей, но и сооружение новых выработок различного назначения, в том числе - в непосредственной близости от имеющихся и функционирующих подземных сооружений. Одним из наиболее перспективных способов проходки выработок горным способом, имеющим целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями, обеспечивающим сохранение зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки, и оказывающим минимальное негативное влияние на окружающую среду, является микротоннелирование.

Особенностью метода микротоннелирования, имеющего несколько разновидностей: прокол, продавливание, горизонтально-направленное бурение, проходка выработок с использованием микрощитов и др., является активное воздействие рабочего органа проходческого оборудования на окружающий массив в процессе сооружения выработок, создающее в нем значительные дополнительные напряжения. Возникающие напряжения могут оказывать негативное влияние на прочность существующих подземных объектов и, следовательно, на нормальное функционирование подземной инфраструктуры, особенно в случаях, когда трассы проводимых методом микротоннелирования выработок располагаются в непосредственной близости от имеющихся подземных объектов.

Целью работы является разработка метода расчета обделок тоннелей, расположенных в зонах влияния прокладки подземных коммуникаций с применением бестраншейных технологий, позволяющего производить геомеханическую оценку и обоснованно выбирать рациональные технологические параметры строительства микротоннелей, обеспечивающие безаварийное функционирование существующих объектов.

Идея работы заключается в установлении и исследовании закономерностей изменения напряженного состояния вмещающих пород и крепи существующего тоннеля в результате прокладки вблизи него подземных коммуникаций бестраншейным способом, на основе учета дополнительных напряжений, обусловленных активным воздействием на массив рабочего органа проходческого оборудования.

Методы исследований включают получение строгого решения соответствующей плоской задачи теории упругости с использованием теории аналитических функций комплексного переменного, потенциалов Колосова - Мус-хелишвили, свойств рядов Лорана; выполнение многовариантных расчетов с целью изучения закономерностей формирования напряженного состояния крепи тоннелей с учетом проведения выработок способами микротоннелирования; сравнение результатов расчетов с решениями частных задач, полученными другими авторами.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка изменения несущей способности крепи существующего тоннеля при строительстве в непосредственной близости от него нового микротоннеля должна осуществляться на основе математического моделирования взаимодействия подземного сооружения и окружающего массива пород как элементов единой деформируемой системы с использованием аналитического решения плоской задачи теории упругости для бесконечной весомой среды, ослабленной двумя круговыми отверстиями разных радиусов, одно из которых подкреплено концентрическим кольцом из другого материала, при соответствующих граничных условиях.

2. Изменение напряженного состояния крепи существующего тоннеля, вызванное сооружением вблизи него микротоннеля, определяется не только технологией проходки, но и другими факторами, основными из которых являются: расстояние между осями выработок, их взаимное расположение, конструкция (материал и толщина) крепи существующего тоннеля, соотношение размеров поперечных сечений выработок.

3. Зависимость максимальных растягивающих напряжений в крепи существующего тоннеля, расположенного в зоне влияния проходческих работ при сооружении нового микротоннеля, от ее толщины имеет экстремальный характер, при этом с ростом толщины подземной конструкции указанные напряжения могут увеличиваться до 20 %, что необходимо учитывать при проектировании.

Новизна основных научных и практических результатов:

- на основе современных представлений механики подземных сооружений о взаимодействии подземной конструкции с окружающим массивом пород разработана строгая математическая модель формирования напряженного состояния крепи тоннеля при проходке в непосредственной близости от него новой выработки с помощью микротоннелирования, учитывающая механические свойства материала и толщину конструкции крепи существующего тоннеля, а также его расположение, радиус и способ проходки новой выработки;

- получено аналитическое решение плоской задачи теории упругости о напряженном состоянии трехсвязной области, составленной бесконечной однородной весомой изотропной средой, ослабленной двумя расположенными произвольным образом круговыми отверстиями, одно из которых подкреплено кольцом из другого материала, а второе нагружено равномерным давлением;

- на основе предложенного решения разработан новый метод оценки влияния бестраншейной прокладки коммуникаций на напряженное состояние и несущую способность конструкции крепи близко расположенного тоннеля;

- с помощью разработанного метода расчета впервые установлены закономерности формирования напряженного состояния конструкции крепи существующего тоннеля при проходке вблизи него новой выработки с приме-

нением технологий микротоннелирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задачи исследований и адекватной математической модели, применением апробированных подходов к решению задачи теории упругости с применением методов теории аналитических функций комплексного переменного, высокой точностью удовлетворения граничных условий в полученном решении, полным совпадением результатов расчетов с данными, полученными другими авторами при решении частных задач для одиночного кругового кольца, подкрепляющего отверстие в весомой среде.

Практическая значимость работы заключается в разработке алгоритма определения напряженного состояния крепи существующего тоннеля с учетом проходки в непосредственной близости от него новой выработки способами микротоннелирования, а также в создании программного обеспечения, позволяющего производить многовариантные расчеты подземных сооружений как в исследовательских целях, так и при практическом проектировании.

Реализация результатов работы.

Разработанное программное обеспечение используется в курсовом и дипломном проектировании при подготовке специалистов на кафедрах СПСиШ в Биньзыонгском университете и в Ханойском горно-геологическом университете (СРВ); результаты исследований апробированы и приняты к использованию в институте прикладной механики и информации (ИПМИ) (г. ХоШи-Минь - СРВ) при проектировании и строительстве во Вьетнаме выработок способами микротоннелирования.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на X, XI Международных конференциях «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула 2013 г. и 2014 г.), на Международной конференции «Прогресс в разработке месторождений и строительстве подземных сооружений (the 21nd - advance in mining and tunneling)» в Ханойском горно-геологическом университете (октябрь, 2014 г.), на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, январь, 2014 г.), а также на научных семинарах кафедры СПСиШ МГТУ (МГИ) (2011 г. - 2014 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, из них 3 работы - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 130 страниц печатного текста, в том числе 35 рисунков, 15 таблиц, 1 приложение, список литературы из 99 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю проф., д.т.н. А. Н. Панкратенко, проф., д.т.н. Б.А. Картозия и проф., д.т.н. Саммалю A.C. за ценные замечания в процессе обсуждения и написания работы. Автор также признателен заведующему кафедрой "Строительство подземных сооружений и шахт» горного института НИТУ «МИСиС» проф.,

д.т.н. A.B. Корчаку и всем преподавателям кафедры за их внимание и интерес к данной работе и высказанные полезные замечания во время ее выполнения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современные методы геомеханических исследований базируются на трудах Ю.Н. Айвазова, Б.З. Амусина, И.В. Баклашова, К.П. Безродного, В. Вилке, В .А. Гарберас, Д.М. Голицынского, Б.А. Картозия, Г.К. Клейна, Ю.М. Ли-бермана, Л.В. Маковского, В.Е. Меркина, А.Н. Панкратенко, К.В. Руппеней-та, Ю.С. Фролова, Г.Л. Хесина и других ученых. Среди работ, посвященных развитию аналитических методов расчета подземных сооружений, можно выделить исследования C.B. Анциферова, H .С. Булычева, P.A. Дунаевского, В .В. Макарова, А.Г. Протосени, И.И. Савина, A.C. Саммаля, H.H. Фотаевой, В.И. Шейнина и др., базирующиеся на фундаментальных трудах Н.И. Мусхе-лишвили, Г.Н. Савина, Д.И. Шермана.

Проведенный анализ существующих аналитических методов расчета подземных сооружений показал, что ни один из них не может быть использован для оценки напряженного состояния существующих подземных конструкций с учетом влияния новых выработок, сооружаемых способами микротоннели-рования. Применение компьютерных программных пакетов, реализующих численные методы расчета, например, метод конечных элементов, в силу ряда присущих им особенностей не вполне ориентированы на решение конкретных задач, возникающих в практическом многовариантном проектировании.

В связи с этим, целью настоящей диссертации явилась разработка аналитического метода расчета тоннелей, расположенных в зоне влияния работ по бестраншейной прокладке коммуникаций, выявление и исследование новых закономерностей формирования напряженного состояния крепи тоннелей при проходке вблизи них выработок с применением микротоннелирования. В основу предлагаемого метода положено полученное аналитическое решение для трехсвязной области, составленной бесконечной линейно-деформируемой весомой средой, моделирующей массив пород, ослабленной двумя близко расположенными отверстиями разных радиусов. Одно из отверстий подкреплено упругим кольцом из другого материала, моделирующим крепь существующего тоннеля, а второе, моделирующее выработку, сооружаемую методом микротоннелирования, нагружено внутренним нормальным давлением, обусловленным действием рабочего органа проходческого оборудования.

Разработанный метод расчета предназначен для решения научных и практических задач, связанных с обоснованием рациональных параметров технологии и- конструкции крепи тоннелей при сооружении в непосредственной близости новой выработки способами микротоннелирования в различных горно-технических условиях.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были

поставлены следующие задачи:

- разработать математическую модель, позволяющую в полной мере учитывать влияние проходки новой выработки, сооружаемой способами микро-тоннелирования, на напряженное состояние вмещающего массива и крепи существующего подземного сооружения, находящегося в зоне влияния;

- получить аналитическое решение плоской задачи теории упругости для бесконечной весомой среды, моделирующей массив пород (грунта), ослабленной двумя произвольным образом расположенными круговыми отверстиями разных радиусов, одно из которых подкреплено кольцом из другого материала, моделирующим конструкцию крепи существующего тоннеля, а второе - нагружено нормальным давлением, моделирующим действие рабочего органа проходческого оборудования, используемого при принятой технологии строительства микротоннеля;

- на основе полученного решения поставленной задачи теории упругости разработать аналитический метод расчета конструкции крепи тоннелей круглого поперечного сечения с учетом проходки в непосредственной близости новой выработки бестраншейным способом;

- составить полный алгоритм расчета и реализовать его в виде компьютерной программы;

- исследовать влияние основных факторов, к которым относятся: взаимное расположение выработок, размеры поперечных сечений выработок и толщина крепи существующего тоннеля, деформационные характеристики массива и материала крепи, а также отношение давления, создаваемого рабочим органом проходческого оборудования к вертикальному напряжению поля начальных напряжений в массиве.

В основу разработанной математической модели взаимодействия существующей подземной конструкции, новой выработки, сооружаемой с применением бестраншейной технологии, и массива пород, как элементов единой деформируемой системы, положено решение плоской задачи теории упругости, схема которой показана на рисунке 1.

Здесь однородная изотропная весомая среда 50 0, моделирующая массив пород, характеризуется усредненными деформационными характеристиками - модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона у0 . Кольцо 5Г01 ,

подкрепляющее круговое отверстие, с наружным Яц 0 и внутренним , радиусами, выполненное из материала с деформационными характеристиками - соответственно модулем деформации и коэффициентом Пуассона V, , моделирует обделку существующего тоннеля. Кольцо 50, и среда 50 0 деформируются совместно, то есть на линии контакта Ь0 0 выполняются условия непрерывности векторов смещений и полных напряжений. Внутренний контур , кольца свободен от действия внешних сил.

Если породы вмещающего выработки массива и материал обделки тоннеля склонны к ползучести, учет вязкоупругого деформирования производится на основе теории линейной наследственной ползучести, согласно которому деформационные характеристики материалов среды 50 0 и кольца представляются как функции времени. С этой целью дополнительно вводятся соответствующие параметры ползучести а0 , 80 и а, , .

Выработка, которая проводится способом микротоннелирования в непосредственной близости от существующей обделки, моделируется отверстием радиусом ^ 0 , центр которого помещен в точку г1=х1 + ¡у1 (г -

мнимая единица). При этом контур отверстия ¿, 0 с нагружен давлением —р, обусловленным действием рабочего инструмента. Принимая во внимание сравнительно небольшой радиус Я10 отверстия и высокую интенсивность

действующей нагрузки, внутреннее давление задается равномерным.

Действие гравитационных сил, обусловленных собственным весом пород, моделируется заданием в области 500 соответствующих начальных напряжений. Ограничиваясь рассмотрением тоннелей глубокого заложения, а также принимая во внимание то, что плотности пород и материала обделки отличаются незначительно, начальные напряжения в области , (обделке) и в

области 50 0 (массиве) задаются выражениями

=-уНа, а(;-т) = -ЛуНа, г^)(0) =0 , (1) где у - удельный вес пород, X — коэффициент бокового давления пород в ненарушенном массиве, а* - корректирующий коэффициент, введенный для учета существенного перераспределения напряжений в процессе проходки и эксплуатации сооружения. Величина множителя а* определяется на основе обработки данных натурных наблюдений, а при их отсутствии - задается с

использованием известных формул, например, предложенных проф. Н.С. Булычевым.

Полные напряжения, следуя работам И.В. Родина, представляются в виде сумм начальных напряжений (1) и дополнительных напряжений, обусловленных наличием выработок.

Смещения в задаче рассматриваются только дополнительные.

Сформулированная плоская задача теории упругости решается с применением теории аналитических функций комплексного переменного и комплексных рядов. С этой целью в рассмотрение вводятся комплексные потенциалы фу(г) , у} (г) (у = 0,1) , связанные с дополнительными напряжениями и смещениями в областях 50} (у = 0,1) известными формулами Колосо-

ва-Мусхелишвили. Поставленная задача сводится к краевой задаче теории аналитических функций комплексного переменного при следующих граничных условиях:

- на контуре !.„ 0

ч\ (0 ■+ (0+гМ=Ро (0+' ? 'о (0+

хм(/)-«р\ (0-^й=(О-■*<р о(О-^¡со]; (2)

- на контуре ,

<р1(г) + нр\(1) + ~^ =/о>|(0; (3)

- на контуре 0

£

где ае,=3-4^; = ' (у = 0,1) , а функции Ду(/) (*,у = 0,1) 2(1 +

имеют вид

/о,1(') = '1(^Г(С)+'С)(0))^ ' (5)

о

о

Здесь х1'мт +1уя(*-Л(0) - вектор усилия, обусловленного действием начальных напряжений сг<'-'>(|>) , распределенного по элементарной длине соответствующего контура; + (Тл(1,(1) - вектор усилия, обусловленного действием нормального давления р, распределенного по элементарной длине яК контура Ц 0 .

Далее, следуя работам проф. Д.И. Шермана и H.H. Фотиевой, вводятся в рассмотрение новые инвариантные при переносе начала координат аналитические функции Xj (z) , определяемые соотношениями

Xj(z) = Z<PJ(Z)+¥j(Z) О" = 0,1) , (7)

с использованием которых граничные условия поставленной задачи для определения дополнительных напряжений и смещений представляются в виде

- на контуре 0

<px{t) + (t-t)cp\(/) + Хх (0 = %(t) + {t-t)<p\(t) + Xü (f),

»Л (' )■- ('~~*)<Р'.(0- Xi (0= f" [«.Я, (t)~ (t-~ t)<P 'o (t)~ Zo (0];

■наконтуре Z,,

(8)

(9)

■ на контуре L, 0

= -уНа*<Ц

„ 1 + Я)/ ч 1-Я/-\

1-Я/ 2

(10)

Н — х,

где £ =--

Н

Таким образом, поставленная задача сводится к отысканию двух пар аналитических функций (комплексных потенциалов) Ф](г) , Х1{2) (7=0,1) , характеризующих напряженно-деформированное состояние кольца 501 , мо-делирующего крепь, и среды 500 , моделирующей массив пород.

Комплексные потенциалы <ра (г) , Хо (г) > регулярные в области 50 0 вне контуров 0 , £ц , представляются в виде рядов

<РЛ2) = £С(.Х0) Г \ Z z-z, Ко J

с -V i \

Xo(z) = ^С(2Х0) у= 0 Z v-0 Z —Z[ ч У

(П)

Здесь первые слагаемые, содержащие ряды с отрицательными степенями переменной г/0, представляют собой разложения функций, регулярных в

области 500 вне контура , вторые слагаемые, содержащие переменную (г - гх) / Яц 0, - разложения функций, регулярных вне контура Ц а .

В свою очередь, функции <£>,(г) , Х\{/) > регулярные в кольце 501 , представляются в виде рядов

(1X1)

( \ Z —У ( \ т

v=0 Ао>

,(2X1) Г_£_ U.O.

Í-'

(12)

Аффиксы точек каждого из рассматриваемых контуров, выраженные через переменную <т = е'в , в - полярный угол, отсчитываемый от положительного направления оси Ох против хода часовой стрелки), имеют представления

Лоосг -на контуре L0 о; t = z = -Raxa -на контуре Loí; zí + RJ0a -наконтуре Далее все искомые потенциалы представляются в виде степенных рядов переменной а и подставляются в граничные условия (8)-(10). В результате после ряда математических преобразований, включающих приравнивание коэффициентов при одинаковых отрицательных и положительных степенях переменной а , удается придти к 8 группам бесконечных систем линейных алгебраических уравнений, из которых после соответствующего укорочения путем удержания конечного числа членов рядов определяются 8 групп искомых коэффициентов.

Полученное решение реализовано в виде полного вычислительного алгоритма и компьютерной программы, позволяющей автоматизировать процесс определения напряжений в обделке тоннеля с учетом проходки новой выработки с применением способов микротоннелирования.

Вычисленные напряжения в любой точке области S00 , моделирующей массив пород, позволяют производить оценку его прочности в окрестности выработок. С этой целью используется условие прочности Кулона-Мора, имеющее вид:

(сгг ~(Tgf + 4г,2а < [(<г,-ав) + 2 CctgpJ sin2 <р , (13)

где С — коэффициент сцепления, <р — угол внутреннего трения пород.

Области массива пород вблизи контуров выработок, в которых не выполняется условие (13), относятся к зонам возможного разрушения (нарушения сплошности), а их конфигурации и размеры принимаются в качестве крите-

риев для приближенной оценки прочности массива вокруг выработок. Поскольку реальные границы разрушения пород должны определяться из решения задач, основанных на моделях, учитывающих реальное, например, упруго - пластическое, поведение пород. В связи с этим, указанные зоны носят название условных зон разрушения (условных зон неупругих деформаций). В соответствии с предлагаемым подходом, в случае, если построенная в ходе расчета условная зона разрушения полностью охватывает породный целик между выработками, делается вывод о том, что прочность окружающих тоннель пород не обеспечена и это представляет опасность для обделки существующего тоннеля.

Необходимо отметить, что разработанный метод позволяет производить оценку дополнительных напряжений в обделке существующего тоннеля, обусловленных проходкой новой выработки, которые будут накладываться на уже сформировавшееся в обделке поле напряжений. С этой целью с использованием расчетной схемы, представленной на рисунке 1, дополнительно решается задача об одном подкрепленном отверстии, являющаяся частным случаем задачи, рассмотренной выше. Очевидно, что разница напряжений в кольце , моделирующем обделку существующего тоннеля, в двух

задачах - соответственно без учета и с учетом отверстия Ц „ , моделирующего микротоннель, будет соответствовать искомым расчетным дополнительным напряжениям. Такой расчет является предпочтительным в случае, когда проведенное обследование крепи функционирующего тоннеля позволило установить реальное напряженное состояние подземной конструкции, а применение известных методов обработки результатов натурных измерений позволило уточнить величины начальных напряжений в массиве, которые используются при реализации описанной выше математической моде-

X

Д,; - 0,2 Д

у г и Л

■ .•«-—->■

Рисунок 2 - Поперечное сечение существующей выработки и скважины, сооруженной методом прокола

ли.

Ниже с целью иллюстрации возможностей предлагаемого метода рассматривается напряженное состояние конструкции крепи коллекторного тоннеля, вблизи которого способом прокола проходится скважина диаметром 200 мм. Поперечное сечение обделки и расположение скважины относительно тоннеля показано на рисунке 2. При расчете принимались следующие исходные данные: крепь тоннеля изготовлена из бетона, деформационные характеристиками которого характеризуются значениями модуля деформации Е1 = 20000 МПа и коэффициента Пуассона V! = 0,2; массив грунта представлен суглинками с усредненными значениями деформационных характеристик Е0 = 20 МПа, у0 = 0,35 и коэффициентом бокового давления А.=0,8; нормальное давление, обусловленное внедрением рабочего инструмента, составляет р

тт_ у

= 2,2уНа*, отношение глубин заложений выработок £ = ——= 09-

Н

Эпюры безразмерных (в долях величины уНа*) нормальных тангенциальных напряжений, действующих в крепи тоннеля на внутреннем и наружном сг'"' контурах, приведены на рисунке 3. а а?ЧуНа* б а^ЧуНа*

Рисунок 3 - Расчетные эпюры безразмерных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем (а) и наружном (б) контурах поперечного сечения

крепи тоннеля

Для сравнения на рисунке 4 приведены аналогичные эпюры безразмерных напряжений в обделке одиночного тоннеля (без учета влияния новой выработки). При этом в силу симметрии распределения напряжений показаны на соответствующих половинах контуров. Эти результаты, соответствующие нулевой итерации расчета, полностью совпадают со значениями, полученными в частном случае при использовании других аналитических методов. Ниже на рисунке 5 в качестве иллюстрации приведены зависимости экстремальных (максимальных сжимающих и максимальных растягивающих) нор-

мальных тангенциальных напряжений, возникающих в точках внутреннего контура крепи рассмотренного выше тоннеля, от ее относительной толщины

В то же время, в других частях внутреннего контура обделки наблюдается некоторый рост напряжений. На внешнем же контуре напряжения, наоборот, увеличиваются в части, обращенной к новой выработке, и уменьшаются на противоположной стороне.

-8.66

Рисунок 4 - Расчетные эпюры безразмерных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем ( а^ I у На * ) и наружном ( а(е'х) / у На * ) контурах поперечного сечения крепи одиночного тоннеля

>8 0, г о. 6 0 2 0.

-♦-сжнмающне -^распгнвающне

Рисунок 5 - Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в крепи существующего тоннеля от относительной толщины

крепи тоннеля

Как видно из рисунке 5, при увеличении относительной толщины максимальные сжимающие нормальные тангенциальные напряжения уменьшаются. Зависимость растягивающих напряжений от толщины обделки ¿^ в рассмотренном диапазоне ее изменения имеет экстремальный характер. Таким образом, при принятии проектных решений следует учитывать возможный эффект роста растягивающих напряжений в конструкции крепи при увеличении ее толщины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе выполненных теоретических исследований предложен метод оценки влияния технологий строительства микротоннелей на несущую способность крепи близко расположенного тоннеля, установлены основные закономерности формирования напряженного состояния крепи существующих тоннелей с учетом технологии проходки новой выработки в условиях плотной городской застройки, что имеет существенное значение при обосновании проектных и инженерных решений, связанных с повышением устойчивости существующих выработок и безопасности ведения строительных работ.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод геомеханической оценки влияния технологий строительства микротоннелей на несущую способность конструкции крепи близко расположенного тоннеля, позволяющий учитывать основные факторы, существенно влияющие на напряженное состояние подземной конструкции — взаимное расположение и размеры выработок, толщину крепи, деформационные характеристики вмещающих пород и материалов конструкции крепи существующего тоннеля, а также внешние воздействия.

2. Получено новое решение соответствующей плоской задачи теории упругости о напряженном состоянии трехсвязной области, составленной бесконечной весомой средой, моделирующей массив пород, ослабленной двумя близко расположенными отверстиями, одно из которых подкреплено кольцом из другого материала, моделирующим обделку тоннеля, а второе - нагружено внутренним давлением, моделирующим воздействие рабочего органа проходческого оборудования на массив вмещающих пород.

3. Разработан алгоритм расчета и реализующее его программное обеспечение, полностью автоматизирующее процесс определения напряжений и усилий в крепи.

4. С целью оценки достоверности получаемых результатов произведена проверка точности удовлетворения граничных условий, определено минимальное число удерживаемых членов в рядах разложения комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили, обеспечивающее достаточно высокую точность удовлетворения граничных условий (с погрешностью, не превышающей 3 %), и выполнено сравнение результатов, полученных с помощью

15

разработанного метода, с имеющимися в научной литературе решениями частных задач.

5. Установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в конструкции крепи тоннеля, от основных влияющих факторов: размеров и взаимного расположения центров поперечных сечений выработок, отношения модулей деформации пород и материала крепи, относительной толщины крепи, коэффициента бокового давления в ненарушенном массиве, отношения давления, создаваемого рабочим органом микротоннельного проходческого оборудования, к основной компоненте поля начальных напряжений в массиве.

6. Результаты диссертационной работы были апробированы и приняты к использованию для проектирования и строительства во Вьетнаме выработок способами микротоннелирования в Институте прикладной механики и информации (г. Хошимин, СРВ).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Нгуен Куанг Хюи. Математическое моделирование влияния технологии строительства микротоннелей методом прокола на напряженное состояние массива грунта и конструкции крепи существующего тоннеля//ГИАБ. 2014. № 11. С. 3-8.

2. Нгуен Куанг Хюи. Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки существующего тоннеля с учетом сооружения новой выработки от относительного расстояния р / R между

центрами новой выработки и существующего тоннеля//ГИАБ. 2014. №11. -С. 9-13.

3. Панкратенко А.Н., Саммаль A.C., Нгуен Куанг Хюи. Математическое моделирование напряженного-состояния конструкции крепи тоннеля и окружающего массива пород при проведении в его окрестности выработки способами микротоннелирова-НИЯ//ГИАБ. 2014. №9. С. 277-281.

4. Pankrachenko A.N., Sammal A.S., Tran Tuan Minh, Nguyen Quang Huy. Impacted assessment of the state of stress lining and the soil mass around the tunneLVMining industry journal ISSN 0868-7052, Hanoi -2014. № 5. p. 27-30.

Изд. Лиц. JIP №020300 от 12.02.97. Подписано в печать.27.oi.2015 Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.

Усл.печл. 0,93. Уч.-изд.л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 004 .... Тульский государственный университет. 300600, г.Тула, пр .Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95