Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи при проходке транспортных тоннелей в трещиноватых породах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи при проходке транспортных тоннелей в трещиноватых породах"

На правах рукописи

Таймур Хаддад

Геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи при проходке транспортных тоннелей в трещиноватых породах

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

Специальность 25.00.22 - "Геотехнология (подземная, открытая и строительная)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ЛЕК 2011

Москва 2011

005004782

Работа выполнена в ФБГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Физика горных пород и процессов»

Научный руководитель

доктор технических наук профессор

Баклашов Игорь Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Чирков Сергей Ефимович;

кандидат технических наук Закоршменный Андрей

Иосифович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства»

Защита состоится 28 декабря 2011 г. в /£ час^мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва. Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «28» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических нау

Мельник

Владимир Васильевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В северных районах Ирана осуществляется освоение богатейших природных ресурсов. В этих районах получат дальнейшее развитие предприятия металлургической и угольной промышленности, машиностроения и сельского хозяйства.

Решение этой проблемы немыслимо без развития межрегиональных и международных транспортных связей. Сооружение скоростных транспортных магистралей Северного Ирана в условиях горного рельефа обусловливает необходимость устройства тоннельных пересечений высотных препятствий, в том числе автодорожных тоннелей.

В связи с этим главным вопросом в процессе проектирования и строительства тоннелей является выбор технологии их сооружения -традиционным горным способом или с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов ТПМК.

В специфических геологических и строительных условиях Ирана при выборе способа сооружений тоннелей, ориентируясь на мировой опыт, следует отдать предпочтение горному способу по новоавстрийской технологии (НАТМ).

При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах важными вопросами являются выбор типа временной крепи и рациональной формы поперечного сечения выработки, обеспечивающих ее устойчивость до возведения постоянной крепи или обделки тоннелей.

Проблема определения нагрузок на временную крепь тоннелей большого сечения решалась К.П. Безродным, Б.А. Картозия, Н.С. Булычевым, A.A. Козыревым, В.Е. Меркиным, Н.И. Кулагиным, И.В.Баклашовым, А.Г. Протосеней, H.H. Фотиевой, Д.М. Голицынским, Н.С. Власовым, Ю.Н. Огородниковым, С.Е. Чирковым, О.В. Тимофеевым, М.О. Лебедевым и многими другими.

При сооружении транспортных тоннелей в трещиноватых скальных породах под воздействием тектонических напряжений отсутствует метод выбора параметров временной крепи, поэтому тему диссертационной работы, направленную на разработку таких методических рекомендаций, следует признать актуальной.

Целью диссертационной работы является геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи (формы поперечного сечения выработки, толщины набрызгбетонной крепи, длины и шага анкеров, отставания временной крепи от забоя выработки) при сооружении транспортных тоннелей в трещиноватых породах под воздействием тектонических напряжений, что позволит обеспечить устойчивость выработки до возведения обделки, безопасность горно-проходческих работ и уменьшение стоимости работ.

Идея диссертационных исследований. Основным грузонесущим элементом временной комбинированной крепи является набрызгбетон, толщина которого не должна быть более 0,3 м, так как дальнейшее увеличение толщины может привести к увеличению напряжений в крепи, поэтому грузонесущая способность обеспечивается анкерной крепью, что установлено в результате компьютерного моделирования.

Основные задачи исследования:

- оценка влияния формы поперечного сечения и начального поля тектонических напряжений на устойчивость выработки в трещиноватом породном массиве;

- математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы "временная крепь - породный массив";

- разработка метода определения нагрузок на временную крепь тоннелей;

- разработка рекомендаций по выбору конструкции временной крепи из набрызгбетона и комбинированной конструкции из набрызгбетона и анкеров в автодорожных тоннелях Ирана;

Методы исследований. Исследования выполнены посредством математического моделирования системы «временная крепь - породный массив» с использованием метода конечных элементов (МКЭ), реализованного с помощью программного комплекса COSMOS/M.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

- при сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах в условиях действия тектонических напряжений предпочтение следует отдавать выработкам с криволинейными стенами и основанием; повышенная устойчивость таких выработок обеспечивает

безопасность горных работ и снижает материалоемкость конструкции временной крепи;

в результате компьютерного моделирования установлена закономерность формирования устойчивого напряжённо-деформированного состояния временной крепи в процессе взаимодействия с окружающим породным массивом в зависимости от коэффициента бокового давления в тектоническом поле начальных напряжений, сущность которой состоит в том, что величина смещений временной крепи из набрызгбетона и анкеров в породах с £=4 и А=0,25, {=4 и Х.=1,5 не должна быть более 21 мм, в породах с {=2 и Х=0,53, ¿=1,5 и Х=1 - не более 32 мм;

- в трещиноватых скальных породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М.Прортодьяконова £=2 тектонические напряжения негативно влияют на условия работы временной крепи из набрызгбетона и анкеров и требуют ее усиления арматурным каркасом, что следует из разработанного в диссертации метода выбора временной крепи автодорожных тоннелей большого поперечного сечения, учитывающего отставание временной крепи от забоя выработки, категорию устойчивости пород и взаимодействие временной крепи с породным массивом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

использованием апробированных методов численного моделирования;

- удовлетворительной сходимостью величин расчетных нагрузок с результатами аналитических исследований других авторов;

- учетом и выполнением требований действующих нормативных документов;

- использованием опыта и разработок ведущих зарубежных фирм в исследуемой области.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах в породных массивах, закрепленных временной крепью, при сооружении транспортных тоннелей.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель позволяет определять деформированное и напряженное состояние системы

«временная крепь - породный массив» при строительстве автодорожных тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах.

Полученные результаты и разработанный метод выбора временной крепи дают основания считать, что в трещиноватых скальных породах при проходке тоннелей способом НАТМ временная крепь может быть выполнена из набрызгбетона класса ВЗО и комбинированной крепи с гарантированной прочностью до возведения постоянной обделки.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика выбора временной набрызгбетонной и комбинированной крепи рекомендована для проектирования автодорожных тоннелей, в частности в Северном Иране.

Апробация диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции в Екатеринбурге (2010 г.), на семинарах в учебно-исследовательском центре "Геомеханика" МГГУ (2011 г.) и на кафедре «Физика горных пород и процессов» МГГУ (2011 г.).

Публикаций. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работах в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов, из них 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4-х глав, заключения, 38 рисунков, 25 таблиц и списка литературы из 62 наименований.

Основное содержание работы В первой главе содержится анализ условий строительства тоннелей в северном Иране и современного мирового опыта строительства автотранспортных тоннелей в трещиноватых скальных породах.

На основании проведенного анализа приводятся некоторые статистические данные о протяженности и глубине заложения большинства из намеченных к строительству тоннелей в Иране, что дает основание констатировать следующее:

Во-первых, на трассе большинства тоннелей преобладают породы с крепостью по шкале М.М. Протодьяконова от Г = 2 до f = 4. Указанные коэффициенты крепости характеризуют прочность породного массива с учетом структурного ослабления трещинами различного происхождения.

Во-вторых, большинство из намеченных к строительству тоннелей залегает на глубине до 300 м, где отмечается повышенное влияние тектонических напряжений в породном массиве.

В-третьих, протяженность 75% тоннелей на перспективных линиях не превышает 800-1200 м.

В подобных условиях при выборе способа сооружения тоннелей, ориентируясь на мировой опыт, следует отдать предпочтение горному способу. Анализ мирового опыта строительства транспортных тоннелей горным способом в условиях, аналогичных описанным выше, позволяет рекомендовать новоавстрийский способ (НАТМ), как отвечающий требованиям высоких технологий возведения набрызгбетонной и комбинированной крепи с разработкой породы комбайном со стреловым исполнительным органом.

Поскольку в диапазоне указанных значений глубины заложения тоннелей горные породы находятся в пределах действующих напряжений, соответствующих допредельной стадии их деформирования, принята линейная зависимость между напряжениями и величиной общей деформации, что позволяет рассматривать такие породы как линейно деформируемую среду. Основными характеристиками породного массива при использовании линейно-деформируемой модели является модуль общей деформации породы Е0 и коэффициент поперечной деформации ц.

Вторая глава посвящена исследованию влияния формы сечения на устойчивость незакрепленной выработки.

При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах одним из ключевых вопросов является выбор рациональной формы сечения выработки, обеспечивающей ее устойчивость до возведения временной крепи. Поэтому предметом дальнейших исследований являлось сравнение выработки с криволинейными и вертикальными стенами в трещиноватых скальных породах.

В настоящее время применяют различные методы прогнозирования устойчивости закрепленной и незакрепленной выработок: теоретические (эмпирические и полуэмпирические, аналитические и численные) и экспериментальные (исследования в лабораторных и натурных условиях). Эмпирические и полуэмпирические методы характеризуются невысокой

точностью результатов расчета и ограниченной областью применения. Поэтому для дальнейшего анализа применяется численный метод расчета.

Для моделирования напряженного состояния породного массива, прилегающего к выработке, использовался метод конечных элементов (МКЭ) - версия компьютерной программы COSMOS/M. Породный массив моделировался сеткой прямоугольных конечных элементов. Размеры моделируемого автодорожного тоннеля были определены исходя из расчета сечения тоннеля для двухполосного движения автомобилей. Влияние степени трещиноватости на прочностные свойства породного массива оценивалось с помощью коэффициентов структурного ослабления.

Для сравнительного анализа устойчивости выработки рассматривались два варианта очертаний стен: вертикальные и криволинейные. В первом случае массив разбит на 11224 элемента (11688 узлов), во втором - на 12091 элемент (11232 узла). Размеры выделенной области определены таким образом, чтобы зона влияния выработки не распространялась за границы этой области. Рассматривались породные массивы с различными компонентами начального поля напряжений. Коэффициент крепости породы f=4, Е0=5700 МПа. Коэффициент бокового давления Х<Г, Х=1, Х,*>1. Здесь и далее X* - коэффициент бокового давления, принятый с учетом тектонического поля напряжений Л*=1,5.

В качестве примера на рис:: ■ 1 и 2 приведены картины распределения главных напряжений а3 в породном массиве, прилегающем к выработке с вертикальными и криволинейными стенами.

Рис.1. Эпюры напряжений в стене незакрепленной выработки с вертикальными стенами в породном массиве при £=4, Х.=0,25

Рис.2. Эпюры напряжений в стене незакрепленной выработки с криволинейными стенами в породном массиве при £=4, Х.=0,25

Моделирование показывает, что при выборе формы поперечного сечения необходимо, чтобы в при контурном массиве действовали близкие по величине главные сжимающие напряжения. В этом случае величина касательных напряжений т=0,5 (аз - оО будет минимальна и массив будет в устойчивом состоянии.

Подобная ситуация достигается, как показывают результаты компьютерного моделирования, в случае геометрической формы выработки с криволинейными стенами. Поэтому при проходке выработки в породах с коэффициентом крепости до 4 по шкале проф. М.М. Протодьяконова рекомендуется использовать именно криволинейную форму контура, которая обеспечивает более высокую устойчивость выработки, как это следует из табл.1, где приведена зона возможного разрушения породного массива в стенах выработок по результатам моделирования при различном поле начальных напряжений.

Таблица 1. Зоны возможных разрушений породного массива в стенах выработок при различном поле начальных напряжений

Г-4, 1= 0,25 £4 Х= 1 í= 4, Х*=1,5

Возможная зона разрушения породного массива в стенах, м Возможная зона разрушения породного массива в стенах, м Возможная зона разрушения породного массива в стенах, м

с вертикальными стенами с криволинейными стенами с вертикальными стенами с криволинейными стенами с вертикальными стенами с криволинейными стенами

0.3 — 0.2 — 0.5 —

Третья глава посвящена исследованиям влияния конструктивно-технологических параметров временной крепи на устойчивость выработок при проходке автодорожных тоннелей в Иране.

При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах важнейшими задачами подземного строительства являются обоснование, выбор и расчет конструкции временной крепи. В данной главе изложены результаты исследований силового взаимодействия временной набрызгбетонной, а также комбинированной крепи с породным массивом, которые выполнены методами компьютерного моделирования. Целью моделирования являлось исследование влияния различных конструктивных решений временной крепи на устойчивость выработок при проходке автодорожных тоннелей в трещиноватых скальных породах в условиях Ирана. Для достижения поставленной цели выполнено более 90 расчетов устойчивости выработки, закрепленной набрызгбетонной и комбинированной крепью в трещиноватых скальных породах, в том числе с учетом начального тектонического поля напряжений: при коэффициентах крепости пород по шкале проф. М.М.Протодьяконова и коэффициентах бокового давления соответственно £=4 и Х,=0,25, {=2 и Х=0,53, £=1,5 и Х=1, £=4 и Х*=1,5, £=2 и Х*=1,5. При этом изменялись тип и параметры временной крепи.

Для решения задачи использована удобная в практическом отношении методика численного анализа, а именно метод конечных элементов (МКЭ). При этом породный массив и набрызгбетонная крепь моделировались

сеткой прямоугольных конечных элементов. Элементы набрызгбетонной крепи имеют общие узлы с породными элементами. Свойства элементов отражают реальные характеристики материалов породы и крепи.

При составлении расчетной схемы были учтены только наиболее существенные инженерно-геологические и конструктивно-технологические факторы, определяющие характер взаимодействия в системе «временная крепь-породный массив». Слабые скальные породы представлены геомеханической моделью сплошной однородной изотропной среды.

Для анализа устойчивости закрепленной выработки породный массив разбит на 12091 элемент и 11232 узла.

Размеры выделенной области определены таким образом, чтобы зона влияния выработки не распространялась за границы этой области. Породный массив весомый. Глубина заложения тоннеля - 200м. Отброшенная часть массива заменена распределенными по границам области нагрузками, эквивалентными воздействию отброшенной части массива при расчете временной крепи, работающей в режиме взаимовлияющих деформаций с породным массивом.

В табл. 2 приведены основные показатели физико-механических свойств пород, характерных для условий строительства тоннелей северного Ирана с учетом трещиноватости массива.

Таблица 2. Физико-механические свойства породного массива

Показатель Коэффициент крепости породы по шкале проф. ММ.Протодьяконова £

1,5 2 4

Удельный вес породы, Т/м" 2,4 2,4 2,7

Модуль деформации^, МПа 2600 2800 5700

Сцепление Со, МПа 0,2-0,3 0,2-0,5 5-7

Предел прочности на сжатие в массиве, Дм, МПа 9,8 11,2 40,2

Коэффициент структурных ослаблений 0,3 0,4 0,6

Коэффициент бокового давления 1 0,53 0,25

Влияние анкерной крепи на упрочнение породы вокруг выработки учитывалось изменением деформационных характеристик закрепленного анкерами породного слоя. В зависимости от прочностных свойств породы и плотности расстановки анкеров увеличивался модуль деформации закрепленного анкерами слоя породы на 20-75%. В расчетной модели приняты следующие значения модулей деформации закрепленного анкерами породного слоя: при шаге анкеров 1м- 1,2 Ео, при 0,8 м - 1,4 Ео и при 0,6 м - 1,7 Е0., где Е0- модуль деформации породного массива.

Снижение нагрузки на временную крепь вследствие проявления смещений контура выработки непосредственно после разработки породы на одну заходку Ь0~3м и отставания крепи от плоскости забоя учитывалось коэффициентом разгрузки к =0,4.

Расчетное поперечное сечение выработки представляет собой свод циркульного очертания с криволинейными стенами и криволинейным основанием. Размеры поперечного сечения выработки соответствуют основным требованиям тоннельного пересечения с шириной проезжей части на две полосы движения.

В расчетах приняты следующие физико-механические характеристики набрызгбетонной крепи: толщина 0,1-0,3 м, бетон класса В30, модуль упругости £,,=27000 МПа, коэффициент Пуассона ц =0,2. В данных расчетах знак "-" обозначает сжатие , знак "+" обозначает растяжение.

Сравнение результатов расчетов сплошной набрызгбетонной крепи (рис. 3) показывает, что в относительно слабых скальных породах при Е\1Е$>Ъ (где Е\, Е0. модули деформации соответственно набрызг-бетонной крепи и породного массива) увеличение толщины крепи в 2 раза (от 0,1-0,2 м) снижает напряжения в крепи в среднем на 8-10% (рис.4,5).

Рис.3. Расположение расчетных сечений

Рис.4. Распределение главных напряжений в сечениях набрызгбетонной крепи толщиной 10 см при Ех/ Е0=А,5 , А.=0,25

Рис.5. Распределение главных напряжений в сечениях набрызгбетонной крепи толщиной 20 см при Е\/ Е$=4,5 , >.=0,25

При увеличении толщины крепи в 3 раза (от 10-30 см) происходит незначительное снижение напряжений (рис.6). Следовательно, повышение несущей способности набрызгбетонной крепи эффективнее достигается не увеличением ее толщины, а применением комбинированной набрызгбетонной крепи с анкерами. Все это свидетельствует о том, что при выборе и обосновании расчетной схемы временной крепи из набрызгбетона, работающей в режиме взаимовлияющих деформаций (контактного взаимодействия), жесткость набрызгбетона влияет на характер формирования нагрузок.

Рис.6. Распределение главных напряжений аз в сечениях набрызгбетонной крепи толщиной 30 см при Е\! Е$=А,5 , Х,=0,25

Компьютерное моделирование позволяет определить окружные нормальные напряжения (а3) во временной крепи и перемещения временной крепи при толщине набрызгбетонной крепи 20 см в сочетании с анкерами различной длины и различным расстоянием между ними.

В трещиноватых породах с коэффициентами по шкале проф. М.М.Протодьяконова {=4, Х=0,25 и Х*=1,5 крепление выработки осуществлялось анкерами длиной 4 м с расстоянием между ними 1м и набрызгбетоном толщиной 20 см.

Как видно из табл. 3, с учетом влияния тектонического поля начальных напряжений при \*=1,5 главные напряжения (ст3) в сечениях временной крепи сжимающие и не превышают нормативную прочность бетона класса ВЗО. Максимальное перемещение массива пород с крепью в своде достигает 22 мм.

Таблица 3. Величина главных напряжений (а3) в сечениях временной крепи и перемещение крепи в породах с коэффициентами 5=4, А=0,25 и £=4Д*=1,5

№ Сечения; (рис. 3) /=4, Х=0,25 Совместное перемещение Д, мм /ЧХ*=1,5 Совместное перемещение Д, мм

МПа аз, МПа

Внутрен ний контур Наружн ый контур Внутренни й контур Наружн ый контур

1-1 -0,01 -0,06 21 -3,48 -3,95 22

2-2 -6,75 -6,76 19 -12,31 -11,85 20

3-3 -19,07 -17,58 17 -19,75 -18,34 18

4-4 -15,42 -14,71 15 -17,03 -16,61 16

5-5 -6,22 -5,54 13 -5,11 -8,14 13

6-6 -0,07 -0,06 12 -1,21 -1,85 13

В породах с £=2, Х=0,53 и Х*=1,5 крепление осуществлялось анкерами длиной 6 м с расстоянием между ними 0,6 м набрызгбетоном толщиной 20 см.

При сооружении временной крепи в сильнотрещиноватых породах с /=2, А,=0,53 главные сжимающие напряжения (ст3) в контуре сечения набрызгбетонной крепи не превышают нормативной прочности бетона класса ВЗО (табл. 4), которая равна 23 МПа. Максимальные перемещения в своде достигают 32 мм.

При боковом давлении Х*=1,5 крепь полностью сжата, причем наибольшие сжимающие напряжения достигают -24,11 МПа, что превышает предел нормативной прочности бетона класса ВЗО. В таких условиях необходимо создавать комбинированную крепь, состоящую из набрызгбетона в сочетании с анкерами и арматурным каркасом.

Таблица 4. Величина главных напряжений (ст3) в сечениях временной крепи и перемещение крепи в породах с коэффициентами £=2, А=0,53 и £=2Д*=1,5

№ Сечения (рис. 3) /=2, Х=0,53 Совместное перемещение Д, мм /=2Д*=1,5

аз, МПа аз, МПа

Внутренний контур Наружный контур Внутренний контур Наружный контур

1-1 -0,98 -2,02 32 -8,43 -8,69

2-2 -12,51 -1,04 30 -15 -14,57

3-3 -21,69 -19,96 27 -24,11 -23,56

4-4 -17,94 -17,52 26 -23,94 -22,85

5-5 -10,31 -9,73 23 -16,54 -14,13

6-6 -0,43 -1,64 20 -7,29 -8,36

В сильнотрещиноватых породах с £=1,5, Х=1 крепление выработки принято таким же, как и в породах с/=2, А,=0,53. Из данных, приведенных в табл. 5, следует, что крепь полностью сжата и главные сжимающие напряжения (а3) в контуре сечения набрызгбетонной крепи не превышают нормативной прочности бетона класса ВЗО. Максимальные перемещения крепи в своде достигают 32 мм.

Таблица 5. Величина главных напряжений (ст3) в сечениях временной крепи и перемещение крепи в породах с коэффициентами 1=1,5, А=1

№ Совместное

Сечения, (рис. 3) аз, МПа перемещение

Внутренний контур Наружный контур Д, мм

1-1 -3.29 -4.22 32

2-2 -1.27 -1.23 29

3-3 -22.12 -20.41 27

4-4 -18.68 -18.48 25

5-5 -5.17 -11.19 20

6-6 -2.80 -4.42 19

По результатам численного анализа установлены следующие закономерности:

- результаты расчетов сплошной набрызгбетонной крепи показывают, что в относительно слабых скальных породах при (Е\! £о>3) увеличение толщины крепи в 2 раза (от 10-20 см) снижает напряжения в среднем на 810% .При увеличении толщины крепи в 3 раза (от 10-30 см) происходит незначительное снижение напряжений;

- величина смещений временной крепи из набрызгбетона и анкеров в породах с £=4 и Х=0,25, {=4 и Я.*=1,5 не должна превышать критического значения 21 мм, в породах сИ и Я=0,53, £=1,5 и >.=1 - 32 мм .Отсюда следует, что при данном типе крепи постоянная обделка должна быть возведена на расстоянии от забоя не далее того сечения, где перемещения временной крепи данного типа достигнут критического значения;

- в слабых скальных породах с коэффициентом крепости Г -2 тектонические напряжения (Х,*=1,5) негативно влияют на условия работы временной крепи из набрызгбетона и анкеров и требуют ее усиления арматурными каркасами,

В четвертой главе содержатся практические рекомендации по выбору конструкции временной крепи автодорожных тоннелей в различных инженерно-геологических условиях.

Во время проходки тоннелей всегда возникает необходимость адаптировать методы строительства к геологическим условиям, которые

никогда не бывают точно такими, как предполагалось на стадии проектирования. Поэтому рекомендуемый метод выбора временной крепи для проектирования горных выработок должен соответствовать изменяющемуся геомеханическому состоянию породного массива. В рекомендациях существующих методов содержится ряд недостатков, не позволяющих дать верный прогноз по выбору комбинированной временной крепи.

По результатам диссертационных исследований разработана методика выбора комбинированной временной крепи в слабых скальных породах ("Методика Т") применительно к горно-геологическим условиям Северного Ирана. Методика реализует возможность управления горным давлением за счет податливой временной крепи, позволяющей включить в работу породный массив и в конечном итоге снизить нагрузку на обделку автодорожных тоннелей. "Методика Т" разработана для проектирования автодорожных тоннелей с криволинейным очертанием стен в слабых скальных породах с коэффициентом крепости 1,5<Г<4, расположенных на глубине 200 м.

В "Методике Т" длина обнажения пород допускается не более 3 м, что определяет начальные смещения массива, приводит к его "разгрузке" и в последующем к уменьшению величины напряжений на контакте крепи с породным массивом, которые учитываются коэффициентом К. Величина коэффициента К меняется от 1 при установке крепи непосредственно в забое калотты до 0,4 при бетонировании временной крепи из набрызгбетона на расстоянии £0~3 м от забоя.

На рис. 7 приведены рекомендации по выбору типа временной крепи в слабых скальных породах (графическое представление "Методики

Г').

Длина анкеров

6 м

1,5

а 1

я

1 п

I

*£ 0.53

& 0.25

Л £

4м

уШ У/Х/////

=20см 0 =0,6м "Ь=20см 0 =1н

1,5 г 4

Коэффициент крепости пород £

Область при Х>1

Область при Х<1

^толщина набрызгбетона 0 -расстояние между анкерами

Рис.7. Рекомендации по выбору типа временной крепи в слабых скальных породах

Величина смещения временной крепи из набрызгбетона и анкеров в породах с £=4 и 1=0,25, £=4 и 1=1,5 не должна превышать критического значения 21 мм, в породах с {=2 и А,=0,53, £=1,5 и 1=1-32 мм. { - коэффициент крепости пород с учетом структурного ослабления массива. X, - коэффициент бокового давления, меняющийся в промежутке 0<Х<1, 1=1,5- коэффициент бокового давления с учетом тектонических напряжений.

Анализ рис. 7 ("Методика Т") показывает, что могут быть следующие варианты конструкции временной крепи и технологии крепления тоннелей: 1. £=1,5, 1=1 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 6 м, устанавливаемых с шагом 0,6 м.

2. £=2, >.=0,25 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 6 м, устанавливаемых с шагом 0,6 м.

3. £=2, Х=0,53 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 6 м, устанавливаемых с шагом 0,6 м.

4. {=2, >.=1,5 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 6 м, устанавливаемых с шагом 0,6 м, и усиление арками или арматурным каркасом.

5. £=4, Х=0,25 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 4 м, устанавливаемых с шагом 1 м.

6. í=At, >.=0,53 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 4 м, устанавливаемых с шагом 1 м.

7. £=4, Х=1,5 - временная крепь из набрызгбетона толщиной 20 см и анкеров длиной 4 м, устанавливаемых с шагом 1 м.

Таким образом, в зависимости от коэффициента бокового давления в слабых скальных породах с 1,5<Г<4, 0,25 <Х< 1 и £=4, >,=1,5 для выбора типа временной крепи рекомендуется использовать набрызг-бетонную крепь в сочетании с анкерами. В породах {—2, >=1,5 рекомендуется комбинированная крепь с арками, так как в этих условиях тектонические напряжения негативно влияют на работу временной крепи из набрызгбетона и анкеров и требуют ее усиления арматурным каркасом, а при £=4 негативное влияние отсутствует.

Методика предназначена для решения практических инженерных задач, связанных с оценкой устойчивости выработки, закрепленной комбинированной временной крепью, при строительстве транспортных тоннелей.

Методика позволяет:

- оценивать влияние начального поля тектонических напряжений Х=1,5 на условия работы временной крепи из набрызгбетона и анкеров;

- увеличивать несущую способность крепи без увеличения ее толщины за счет установки усиливающих элементов (арок, анкеров);

- рассчитывать допустимую (критическую) величину смещения конструкции временной крепи в слабых скальных породах при 1,5<Г<4;

обеспечивать снижение стоимости строительства, а также повышение безопасности горно-проходческих работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой изложено новое решение научной задачи по геомеханическому обоснованию конструктивно-технологических параметров временной крепи из набрызгбетона и комбинированной временной крепи при сооружении транспортных тоннелей в трещиноватых породах под воздействием тектонических напряжений, что обеспечивает уменьшение стоимости и увеличение безопасности горно-проходческих работ в горно-геологических условиях Северного Ирана.

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Установлено, что большинство планируемых к строительству транспортных тоннелей в Иране имеют протяженность от 300 до 1200 м, среднюю глубину заложения 200 м, и пересекают породные массивы, сложенные слабыми скальными породами крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова2 <f<4.

2. Тектонические воздействия пространственно перераспределяют начальные напряжения в массиве при глубине от 200 м до 350 м. Поэтому оценивать устойчивость выработок при проходке тоннелей следует с учетом того, что горизонтальные начальные напряжения в породном массиве могут превосходить вертикальные в 1,5 раза.

3. В геологических условиях Северного Ирана при выборе способа сооружения тоннелей, ориентируясь на мировой опыт, следует отдать предпочтение горному способу. Анализ мирового опыта строительства транспортных тоннелей горным способом в условиях, аналогичных описанным выше, позволяет рекомендовать новоавстрийский способ (НАТМ), как отвечающий требованиям высоких технологий использования набрызгбетона и комбинированной крепи с применением комбайновой проходки тоннелей со стреловым исполнительным органом.

4. Установлено, что при сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах с учетом тектонических напряжений, несмотря на увеличение площади поперечного

сечения выработки и определенные ограничения в разработке технологических схем проходки, повышенная устойчивость выработки с криволинейным очертанием стен и лотковой части позволит полностью избежать разрушения окружающего породного массива в стенах выработки и снизить материалоемкость конструкции временной крепи.

5. Разработан метод выбора временной крепи из набрызгбетона и комбинированной крепи ("Методика Т") автодорожных тоннелей большого поперечного сечения в Иране, сооружаемых горным способом (НАТМ), учитывающий отставание временной крепи от забоя выработки, категорию устойчивости пород и взаимодействие временной крепи с породным массивом.

6. Выявленные в результате проведенных исследований качественные и количественные показатели напряженно -деформированного состояния временной крепи выработок при строительстве автодорожных тоннелей в инженерно-геологических условиях, характерных для Северного Ирана, позволили разработать практические рекомендации для принятия конструктивно - технологических проектных решений временной крепи, обеспечивающие безопасность и снижение стоимости горно-проходческих работ.

Основный положение диссертации опубликованы следующих работах:

1. Хаддад Т. Влияние формы сечения на устойчивость выработки с учетом начального поля тектонических напряжений в грунтовом массиве Северного Ирана// Труды СибГупс. - 2009. - С. 199-202.

2. Хадцад Т. Численный анализ влияния конструктивных параметров временной крепи на устойчивость выработки при проходке автодорожных тоннелей в Иране//вестник гражданских инженеров. - 2010 - №24. - С. 39-42.

3. Хаддад Т. Математическое моделирование влияния конструктивных параметров временной крепи на устойчивость выработки при проходке автодорожных тоннелей в Иране. //Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов

подземных сооружений; Труды III Международной конференции. - Екатеринбург, 2010. - с.141-143.

4. Хаддад Т. Геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров крепи при проходке транспортных тоннелей в Иране// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №7. - с. 45-48.

5. Хаддад Т. Методика определения параметров временной крепи при проходке автодорожных тоннелей в трещиноватых породах. //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 12.-с. 252-255.

Подписано в печать 24.11.2011 г. Формат 60x90/16

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № lOSb

ОИУП Московского государственного г.Москва, Ленинский пр., д.6 горного университета

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Таймур Хаддад, Москва

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный горный университет"

Таймур Хаддад

На правах рукописи

61 12-5/1697

Геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи при проходке транспортных тоннелей в трещиноватых породах.

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

Специальность 25.00.22 - "Геотехнология (подземная, открытая и строительная)"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук

проф.Баклашов И.В.

Москва 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................5

Глава 1.Особенности инженерно-геологических условий строительства автодорожных тоннелей в Иране...................................................................10

1.1.Автодорожные тоннели Ирана.............................................................10

1.2. Особенности инженерно-геологических условий Ирана....................15

1.2.1.Инженерно-геологические условия по трассе тоннеля Талун..........16

1.2.2.Начальное поле напряжений в массиве пород..................................22

1.2.3.Оценка прочности трещиноватых горных пород..............................23

1.3.Обоснование технологии сооружения тоннелей..................................27

1.3.1.Технология сооружения тоннелей горным способом в слабых скальных и полускальных породах................................................................27

1.3.2.Проходка с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) и сравнение с горным способом..................................33

Выводы по главе 1......................................................................................40

Глава 2. Исследование устойчивости незакрепленных выработок автодорожных тоннелей.................................................................................42

2.1.Аналитический обзор методов оценки устойчивости незакрепленных выработок.......................................................................................................42

2.1.1.Прогноз устойчивости выработок по условию вывалообразования. 43

2.1.2 Классификация устойчивости скальных массивов по Бартону.......47

2.1.3. Гипотезы сводообразования............................................................48

2.2. Исследование влияния формы сечения на устойчивость выработки в слабых скальных породах.............................................................................50

2

2.2.1.Обоснование расчетной схемы по МКЭ............................................51

2.2.2.Сравнительный анализ устойчивости выработок автодорожных тоннелей с вертикальными стенами и криволинейным контуром...............57

2.2.3.Оценка достоверности численного анализа......................................63

2.3. Анализ результатов математического моделирования незакрепленной выработки.......................................................................................................65

Выводы по главе 2......................................................................................68

Глава 3. Геомеханическое обоснование параметров временной крепи выработок в трещиноватых скальных и полускальных породах..................69

3.1.Аналитический обзор методов оценки устойчивости закрепленных выработок и расчет крепи..............................................................................69

3.1.1. Временная крепь горных выработок и подземных сооружений.......69

3.1.2.Современные методы расчета крепи горных выработок...............73

3.2.Численный анализ влияния конструктивно-технологических параметров временной крепи на устойчивость выработки в трещиноватых скальных и полускальных породах................................................................76

3.2.1.Основные принципы построения расчетных схем временной крепи выработки, работающей в режиме взаимовлияющих деформаций в геомеханических условиях северного Ирана................................................76

3.2.2.Оценка устойчивости закрепленной выработки в скальных и полускальных породах с нанесением сплошного набрызгбетона.................85

3.2.3. Оценка устойчивости закрепленной выработки в скальных и полускальных породах с нанесением набрызгбетона и усилением крепи анкерам и (или) арками (комбинированная крепь).......................................91

3.3.Анализ результатов математического моделирования......................104

3.3.1.Анализ результатов математического моделирования выработки, закрепленной сплошной набрызгбетонной крепью....................................104

3.3.2. Анализ результатов математического моделирования выработки, закрепленной комбинированной крепью.....................................................108

Выводы по главе 3....................................................................................110

Глава 4. Рекомендации по конструктивно-технологическим проектным решениям временной крепи автодорожных тоннелей в различных инженерно-геологических условиях............................................................112

4.1. Анализ существующих предложений по выбору комбинированной временной крепи..........................................................................................112

4.2.Практические рекомендации по результатам исследований.............116

4.3.Использование " Методики Т" при проектировании проходки выработок в слабых и полускальных породах...........................................122

4.3.1.Темпы скорости проходки выработки в породах с коэффициентом крепости f=2-6.............................................................................................122

4.3.2.Оценка скорости проходки выработки в породах с коэффициентом крепости f=2-4 с использованием методики Т........................................125

Выводы по главе 4....................................................................................128

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. В северных районах Ирана осуществляется освоение богатейших природных ресурсов. В этих районах получат дальнейшее развитие предприятия металлургической и угольной промышленности, машиностроения и сельского хозяйство.

Решение этой проблемы немыслимо без' развития межрегиональных и международных транспортных связей. Развитие скоростных транспортных магистралей северного Ирана в условиях горного рельефа обусловливает необходимость устройства тоннельных пересечений высотных препятствий, в том числе, автодорожных тоннелей.

В связи с этим главным вопросом в процессе проектирования и строительства тоннелей является выбор технологии их сооружения - традиционным горным способом или с использованиемтоннелепроходческих механизированных комплексов ТПМК.

В специфических геологических и строительных условиях Ирана при выборе способа сооружений тоннелей, ориентируясь на мировой опыт, следует отдать предпочтение горному способу по новоавстрийской технологии (НАТМ).

При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах важными вопросами являются выбор типа временной крепи и рациональной формы поперечного сечения выработки, обеспечивающих ее устойчивость до возведенияпостоянной крепи или обделки тоннелей.

Проблема определения нагрузок на временную крепь тоннелей большого сечения решалась К.П. Безродным, Б.А. Картозия, Н.С. Булычевым, A.A. Козыревым, В.Е. Меркиным, Н.И. Кулагиным,И.В.Баклашовым, А.Г. Про-

тосеней, H.H. Фотиевой, Д.М. Голицынским, Н.С. Власовым, Ю.Н. Ого-родниковым, О.В. Тимофеевым, М.О. Лебедевым, С.Е.Чирковым и многими другими.

При сооружении транспортных тоннелей в трещиноватых скальных породах под воздействием тектонических напряжений отсутствует метод выбора параметров временной крепи, поэтому тему диссертационной работы, направленную на разработку таких методическихрекомендаций,следует признать актуальной.

Целью диссертационной работыявляется геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи(формы поперечного сечения выработки, толщинынабрызгбетонной крепи, длины и шага анкеров, отставания временной крепи от забоя выработки) при соору-жениитранспортных тоннелей в трещиноватых породах под воздействием тектонических напряжений,что позволит обеспечить устойчивость выработки до возведения обделки, безопасностьгорно-проходческих работи уменьшение стоимости работ.

Идея диссертационных исследований. Основным грузонесущим элементом временной комбиниированной крепи является набрызгбетон, толщина которого не должна быть более 0,3 м, так как дальнейшее увеличение толщины может привести к увеличению напряжений в крепи, поэтому гру-зонесущая способность обеспечивается анкерной крепью, что установлено в результате компьютерного моделирования.

Основные задачи исследования.

■ Оценка влияния формы сечения на устойчивость выработки в слабых скальных породах и оценка влияния начального поля тектонических напряжений в породном массиве;

■ Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы "временная крепь-породный массив";

■ Разработка метода определения нагрузок на временную крепь тоннелей;

■ Разработка рекомендаций по выбору конструкции временной крепи из набрызгбетона и комбинированной конструкции изнабрызгбетона и анкеровв автодорожных тоннелях Ирана;

Методы исследований. Исследования выполнены посредством математического моделирования системы «временная крепь-породный массив» с использованием метода конечных элементов (МКЭ), реализованного с помощью программного комплекса« COSMOS/M»

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

•При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах в условиях действия тектонических напряжений предпочтение следует отдавать выработкам с криволинейными стенами и основанием; повышенная устойчивость таких выработок обеспечивает безопасность горных работ и снижает материалоемкостьконструкции временной крепи.

• В результате компьютерного моделирования установлена закономерность формирования устойчивого напряжённо -деформированного состояния временной крепив процессе взаимодействия с окружающим породным массивом в зависимости от коэффициента бокового давления в тектоническом поле начальных напряжений,сущность которой состоит в том, что ве-

личина смещений временной крепи из набрызгбетона и анкеров в породах с f=4 и А,=0,25, f=4 и А,=1,5 не должна быть более21 мм, в породах cf=:2 и А,=0,53, £=1,5 и Х=1 -не более 32 мм.

• В трещиноватых скальных породах с коэффициентом крепости по шкале М.М.Протодьконова£=2 тектонические напряжения негативно влияют на условия работы временной крепи из набрызгбетона и анкеров и требуют ее усиления арматурным каркасом, что следует из разработанного в диссертации метода выбора временной крепи автодорожных тоннелей большого поперечного сечения, учитывающего отставание временной крепи от забоя выработки, категорию устойчивости пород и взаимодействие временной крепи с породным массивом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием апробированныхметодов численного моделирования;

- удовлетворительной сходимостью величин расчетных нагрузок с ре-зультатамианалитических исследований других авторов;

- учетом и выполнением требований действующих нормативных документов;

- использованием опыта и разработок ведущих зарубежных фирм в исследуемой области.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах в породных массивах, закрепленных временной крепью при сооружении транспортных тоннелей.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель позволяет определять деформированное и напряженное состояние системы «вре-

менная крепь- породный массив» при строительстве автодорожных тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах.

Полученные результатыи разработанный метод выбора временной крепи дают основания считать, чтов трещиноватых скальных породах при проходке тоннелей способом НАТМ временная крепь может быть выполнена из набрызгбетона класса ВЗО и комбинированной крепи с гарантированной прочностью до возведения постоянной обделки.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика выбора временной набрызг-бетонной и комбинированной крепирекомендо-вана для проектирования автодорожных тоннелей, в частности в северном Иране.

Апробация диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в учебно-исследовательском центре "Геомеханика" МГГУ (2011 г) и на Международной конференции в Екатеринбурге (2010 г).

Публикаций. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4-х глав,заключения, 38 рисунков, 25 таблиц и 62 источников литературы.

Глава 1.Особенности инженерно-геологических условий строительства автодорожных тоннелей в Иране.

1.1.Автодорожные тоннели Ирана.

Развитие скоростных транспортных магистралей северного Ирана в условиях горного рельефа обусловливает необходимость устройства тоннельного пересечения высотных препятствий. Первый в Иране автодорожный тоннель «Кандован» длиной 1860м был построен в 193 8г. на трассе Тегеран -Чалус на высоте 2650м над уровнем моря. Ширина проезжей части тоннеля составляла всего 4,5м, а поэтому в 1990г было принято решение о реконструкции тоннеля с увеличением его пропускной способности за счет ушире-ния проезжей части. В процессе выполнения работ произошла серия крупных аварий, связанных в основном с несоответствием принятых конструктивно - технологических решений крепи характеру напряженно-деформированного состояния породного массива [1].

В связи с этимвозникла необходимость исследования конструкций временной крепи в строительстве горных автодорожных тоннелей в северном Иране. Актуальным для данного региона является выбор типа временной крепи и ее взаимодействие с массивом пород.

В настоящее время в Иране реализуется один из крупнейших проектов -автомобильная дорога Тегеран-Шомал[ 2 ]. Дорога длиной 121км соединит города Тегеран и Чалус на севере страны, включая 60 км тоннелей, из которых два - Алборз и Талун имеют протяженность соответственно 4,8 и 5 км. Для успешного выполнения намеченной программы строительства необходимо использовать более совершенные и экономичные конструкции и

способы сооружения, а также важно увеличить скорости сооружения тоннелей, так как это влияет на экономические показатели строительства целых участков автодорожных линий.

Скорости проходки тоннелей могут быть увеличены в несколько раз при переходе на способ проходки с раскрытием сечения на полный профиль, который создает условия для применения крупногабаритных высокопроизводительных горнопроходческих машин и механизмов. Вместе с тем это связано с увеличением объемов породы, разрабатываемой за один прием, и осложнением условий устойчивости выработок.

Для обоснованного выбора способа производства работ и типов несущих конструкций необходимо располагать методами, позволяющими дать прогноз устойчивости тоннельных выработок и оценить возможную величину нагрузок на конструкции крепи.

Аналогичные задачи решаются для целей разработки угольных и рудных месторождений, причем применение того или иного решения зависит от инженерно-геологических условий и физико-механических свойств горных пород, глубины заложения и размеров выработок, жесткости крепей и многих других факторов.

Поэтому необходимо, прежде всего, охарактеризовать специфические условия и особенности строительства горных автодорожных тоннелей, чтобы выбрать такие методы решения поставленной задачи, которые в наибольшей степени отражали бы эти особенности.

Анализ имеющихся сведений о перспективах тоннельного строительства в Иране позволяет определить условия строительства, освещает некоторые статистические данные о протяженности и глубине заложения большинства из намеченных к строительству тоннелей, что отражено в табл. 1.1

Табл. 1.1.Распределение тоннельных участков по протяженности и глубине заложения.

Глубина заложения тоннелей,м Накопленная частость, % Протяженность тоннелей, км Частость, %

более 0 100 0-1 75

и 200 73 1-2 10

и 400 35 2-3 2,5

а 600 10 3-4 5

а 800 5 4-5 7,5

и 1000 0

Рис. 1.1. Представляет диаграмму накопленных частостей заложения тоннелей по глубине в северном Иране.

юо 90

80 70

so so

40

30

го

10

О 200 400 ¿00 »00 И00

глувина заложения тоннелей, м

Рис,1.1, Диаграмма накопленных мастостеет гл^вине заложения тоннелей в северном Иране

Диаграмма распределения частостей (рис. 1.2) показывает, какой процент общей длины составляют тоннели, протяженность которых находится в указанных интервалах (0-1 км, 1-2 км и т.д.).

80

70 60

50 40 30

го 10

г 3 4 5

протяженность тоннелей,км

Рис.1,2 Диаграмма распределения иастостеи и протяженностеи тоннелей в северном Иране.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что:

во-первых, большинство из намеченных к строительству тоннелей залегает на глубине до350 м, причем большая часть их расположена на глубине до 200м.

во-вторых, протяженность 75% тоннелей на перспективных линиях не превосходит 800-1200 метров.

1.2. Особенности инженерно-геологических условий Ирана.

Иран расположен в запа