Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование конструкции обделки автодорожного тоннеля в Йемене

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

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование конструкции обделки автодорожного тоннеля в Йемене"

На правах рукописи

Дахан Абдолнур Абдо Дабван

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ОБДЕЛКИ АВТОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ В ЙЕМЕНЕ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2005

Работа выполнена в Тульском государственном университете. Научный руководитель

доктортехническихнаук профессор БулычевНиколай Спиридонович Официальные оппоненты:

доктор технических наук Саммалъ Андрей Сергеевич, кандидат технических наук Шелешнев Михаил Дмитриевич

Ведущая организация ЗАО «Тоннельпроект»

Защита состоится « 20 » апреля 2005 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 в Тульском государственном университете по адресу: 300600 г. Тула, пр. Ленина, 92. Тел./факс: (0872) 352-113; E-mail: nsb@sps.tsu.tula.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан "/? " 2005 г.

Ученый с е к р е диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Государство Йемен расположено в юго-западной части Аравийского полуострова. На севере и северо-востоке он граничит с Саудовской Аравией, на востоке - с Оманом. На западе омывается Красным морем, на юге - Аденским заливом (Индийский океан). Территория Йемена расположена в основном на плато, которое на севере и востоке переходит в пустыню Руб-аль-Хали. На западе вдоль берега Красного моря тянется узкая длинная равнинная полоса, отделяющая наиболее населенную и промышленно развитую гористую часть страны (Западно-Аравийское нагорье). Крупнейшие города, в числе которых Сана (столица, более 1 млн. чел.), Таиз (1 млн. чел.), Эль-Ходейда (700 тыс. чел.), Аден (500 тыс. чел.), расположены преимущественно на юго-западе в гористой части страны.

Железных дорог в стране нет, автомобильное сообщение городов осложнено гористым рельефом. Недалеко от столицы Сана расположена гора Эн-Наби-Шаиб высотой 3660 м. Тенденции развития народного хозяйства в свете урбанизации страны, развития промышленности и туризма выявляет необходимость строительства автодорожных тоннелей. Строительство тоннелей будет выполняться преимущественно в достаточно устойчивых скальных и полускальных метаморфизованных породах, что предопределяет буровзрывной способ строительства тоннелей, сводчатое сечение выработки с применением временной крепи и постоянной монолитной бетонной или железобетонной обделки.

Первый тоннель предполагается строить на трассе Таиз-Аден. Протяженность тоннеля составит, ориентировочно, 600-800 м, глубина заложения до 400 м. Поскольку автодороги имеют двухполосное движение, то и тоннель должен быть рассчитан на двухполосное движение (I категории). Для обеспечения безопасности движения и расположения вспомогательных служб параллельно основному тоннелю должен быть построен сервисный тоннель меньшего сечения. В представленной диссертации рассматриваются принципиальные технические решения для основного тоннеля.

В связи с изложенным, представленная диссертационная работа, направленная на научное обоснование рациональных конструкций тоннельных обделок в проектируемых первых автодорожных тоннелях Йемена является актуальной.

Целью работы является научное геомеханическое обоснование рациональных конструкций обделок тоннелей в типичных для Йемена инженерно-геологических условиях, что позволит обеспечить прочность, требуемую несущую способность конструкций и безопасность эксплуатации тоннелей в целом.

Идея работы заключается в установлении закономерностей изменения напряженного состояния обделки, взаимодействующей с окружающим тоннель массивом пород, с учетом вероятных характеристик пород и параметров начального поля напряжений.

Методы исследования включают систематизацию, обобщение и анализ предшествующих исследований и опыта проектирования и строительства тоннелей, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния обделок, численный эксперимент с использованием компьютерных программ аналитического метода расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

В результате численного эксперимента (компьютерного моделирования) установлены закономерности формирования напряженного состояния обделки и распределения нормальных тангенциальных напряжений по периметру сечения обделки, в том числе - в критических сечениях, определяющих прочность обделки в целом, для характерных инженерно-геологических условий Йемена.

Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений в критических точках и критических радиальных сечениях обделки, а также - несущей способности обделки, от соотношения модулей деформации материала обделки (бетона) и окружающих пород, коэффициента бокового давления в нетронутом массиве пород и коэффициента разгрузки, учитывающего технологию строительства тоннеля.

Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечивается использованием компьютерных программ расчета обделок

тоннелей, основанных на строгих аналитических решениях соответствующих задач теории упругости, полнотой учета комплекса влияющих факторов, качественным соответствием результатов расчета с данными, полученными другими авторами.

Научное значение диссертационной работы заключается в установлении закономерностей формирования напряженного состояния обделки тоннеля, в зависимости от соотношения модулей деформации пород и материала обделки, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве.

Практическое значение работы состоит в обосновании исходных данных для расчета обделок тоннелей - компонентов начального тектонического поля напряжений, научном обосновании рациональных конструкций бетонной обделки тоннеля в типичных для Йемена инженерно-геологических условиях.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований будут использованы в процессе проектирования и строительства первого тоннеля в Йемене.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2003-2005 гг.), на Международном симпозиуме Тоннельной ассоциации России (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы две научных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка используемой литературы из 73 наименований, таблиц приложений на 30 стр., включает 23 рисунка, 5 таблиц.

Автор благодарит сотрудников кафедры СПС ТулГУ за помощь при подготовке данной диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обделки тоннеля испытывают нагрузки и воздействия, обусловленные начальным полем напряжений в массиве пород, вызванным собственным весом пород и возможными тектоническими силами.

Сведений о величине и направлении главных начальных напряжений в массиве горных пород в районе строительства тоннеля не имеется, поэтому вероятные расчетные характеристики начального поля напряжений приняты на основании исследований, опубликованных в научных изданиях. Известно, что проявления тектонических напряжений и сейсмическая активность приурочены главным образом к границам взаимодействующих литосферных плит Земли, включая Сахаро-Аравийскую плиту (М.В. Гзовский, А.А. Козырев, Г.А. Марков и

Др)-

Сахаро-Аравийская плита характеризуется широким развитием горизонтально залегающих отложений палеозоя, мезозоя и палеогена. Докембрий в виде гнейсов и гранитов широко развит в Йемене и по обоим берегам Красного моря. Кембрий очень широко распространен в Аравии, где он залегает на докембрий-ском фундаменте совершенно горизонтально. Он представлен в основании конгломератами, выше которых залегают песчаники, пестроцветные мергеля и доломиты. Девон имеет широкое распространение, он представлен всеми тремя своими отделами, сложенными песчаниками. Мезозойская серия представлена нубийскими песчаниками. В Аравии и в Йемене развиты известняки средней и верхней юры. Меловые отложения распространены по всей Сахаро-Аравийской плите. Палеоген сложен, главным образом, известняками.

Из сказанного следует, что строительство тоннелей будет выполняться преимущественно в достаточно устойчивых скальных и полускальных метамор-физованных породах, что предопределяет буровзрывной способ строительства тоннелей, сводчатое сечение выработки с применением временной крепи и постоянной монолитной бетонной или железобетонной обделки.

На основании изложенного для анализа напряженного состояния обделки приняты следующие расчетные (вероятные) значения коэффициента бокового давления X. в массиве (0,3; 0,6; 1,0) в поперечном сечении тоннеля, которые рассматриваются как равновероятные, поэтому расчеты обделок должны быть выполнены для каждого значения X, и оценка прочности обделки должна производиться по наихудшему варианту.

Расчетам обделок тоннелей и подземных сооружений посвящена обширная литература. Методы расчета крепи (обделки) для проектирования горных выработок и обделок подземных сооружений можно разделить на две группы:

1) традиционные методы расчета, основой которых является подход к крепи (обделкам) как к обычным инженерным конструкциям, испытывающим нагрузки со стороны окружающих пород (О.Е. Бугаева, В.А. Гарбер, С.С. Давыдов, А.П. Даушвили, С.А. Орлов, и мн. др.);

2) методы механики подземных сооружений, основывающиеся на представлении о крепи и окружающем массиве как единой деформируемой системе, элементы которой (крепь и массив) находятся в состоянии контактного взаимодействия (Н.С. Булычев, В.Н. Жуков, Р.Ю. Завьялов, С.А. Константинова, В.В. Макаров, К.В. Руппенейт, И.И. Савин, А.С. Саммаль, СВ. Сергеев, Н.Н. Фотиева, В.И. Шейнин и др).

Существует три основных направления развития концепции взаимодействия обделок тоннелей с массивом пород:

1) Ново-Австрийский метод строительства тоннелей (NATM).

2) Приближенное численное моделирование взаимодействия обделки с горным массивом методом конечных элементов.

3) Аналитические методы расчета обделок тоннелей, основанные на строгих решениях соответствующих задач теории упругости.

В течение последних десятилетий прошлого века трудами Н.С. Булычева, Н.Н. Фотиевой и возглавляемой ими научной школы завершено формирование теории (механики) подземных сооружений и достигнуты большие успехи в ее дальнейшем развитии. Аналитические методы расчета обделок тоннелей (методы механики подземных сооружений) получили широкое применение при проектировании и строительстве подземных сооружений, как правило - в наиболее сложных инженерно-геологических условиях.

При проектировании первого автодорожного тоннеля в Йемене принята сводчатая форма поперечного сечения с плоским лотком, показанная на рис. 1,6. Для анализа напряженного состояния обделки тоннеля в вероятных инженерно-

геологических условиях строительства выполнен вычислительный (компьютерный) эксперимент.

Рис. 1. Расчетное сечение обделки тоннеля после конформного отображения (а) и проектное сечение (б) с указанием расчетных радиальных сечений

для моделирования напряженного состояния обделки тоннеля использована компьютерная программа FOK1 (ТулГУ) расчета монолитной обделки тоннеля произвольного сечения с одной (вертикальной) осью симметрии. Автор метода расчета и алгоритма проф. Н.Н. Фотиева. Метод расчета - метод механики подземных сооружений (анализ контактного взаимодействия обделки с окружающим массивом пород) - основан на строгом решении соответствующей задачи теории упругости с использованием теории функций комплексного переменного и конформного отображения. На рис. \,а показано расчетное сечение обделки после конформного отображения расположение точек внутреннего и внешнего контуров сечения, в которых определялись нормальные тангенциальные напряжения.

Анализ инженерно-геологических условий строительства тоннелей показал, что вероятные значения модуля деформации массива пород находятся в

пределах Е0 = (Зч-Ю) 103 МПа, а вероятные значения коэффициента бокового давления в нетронутом массиве составляют X = (0,3-^-1,0).

На рис. 2 показаны эпюры нормированных нормальных тангенциальных

напряжении в обделке на внутреннем и внешнем конту-

рах сечения обделки из бетона класса ВЗО толщиной 30 см при коэффициенте бокового давления в нетронутом массиве и коэффициенте разгрузки

а* = 0,15.

Рис. 2. Эпюры нормированных нормальных тангенциальных напряжений на наружном и внутреннем контурах сечения обделки

В результате анализа распределение нормальных тангенциальных напряжений в обделке тоннеля установлено следующее.

Установлен характер напряженного состояния обделки тоннеля. Установлены критические сечения ( 9 ) в основаниях боковых стен тоннеля, в которых в первую очередь напряжения могут достигнуть расчетного сопротивления и предела прочности материала (бетона). В этих сечениях обделка испытывает только сжимающие напряжения (знак « - » обозначает сжатие).

При уменьшении коэффициента бокового давления в массиве до X £ 0,34 в обделке вершине свода тоннеля возможно появление растягивающих напряжений. Установлены отношения модулей деформации пород и материала обделки (бетона) и коэффициентов бокового давления пород в массиве, при которых возможно появление растягивающих напряжений в средних сечениях плоского лотка тоннеля. Однако эти сечения не являются критическими для обделки тоннеля.

Из приведенных результатов расчета следует, что проектная форма обделки тоннеля является рациональной. Напряженное состояние бетона в критических радиальных сечениях соответствует внецентренному сжатию. В этом случае условие прочности бетона определяется величиной средних по сечению сжимающих напряжений:

гтв = {а$ + <у%) 2<ЯЬ, (0

где - расчетное сопротивление бетона сжатию.

Поскольку форма сечения обделки с экономической точки зрения представляется целесообразной, для практического проектирования необходим экспресс-метод оценки прочности (несущей способности) обделки в возможных (вероятных) конкретных условиях строительства, не прибегая каждый раз к полному компьютерному расчету. Такой экспресс-метод позволяет оценить прочность обделки в целом по ее прочности в критических сечениях, в данном случае - в сечении 9.

В результате серии расчетов по программе FOK1 установлены зависимости средних значений нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях обделки от влияющих факторов. На рис. 3 и 4 показаны полученные в результате вычислительного эксперимента графики зависимости нормированных значений средних по сечению нормальных тангенциальных напряжений (в долях расчетных вертикальных начальных напряжений в массиве пород) в критических сечениях 9 от коэффициента бокового давления и отношения модулей деформации материала крепи и массива пород. Зависимости от коэффициента бокового давления в массиве пород оказались практически линейными, причем

максимальные значения тангенциальных нормальных напряжений достигаются при коэффициенте бокового давления X = 1.

При Е0, 1-10"3 М1 1а

3

6 \ _ >

[ я

> >

\ 10

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ^

Рис. 3. Зависимость средних по сечению 9 нормированных нормальных тангенциальных напряжений при различных модулях деформации пород от коэффициента бокового давления

1,0 При к

о.зх; ^^0,6

2 4 6 8 10

Еа, 1-10"3 МПа

Рис. 4. Зависимость средних по сечению 9 нормированных тангенциальных напряжений при различных коэффициентах бокового давления от модуля деформации пород

Максимальное значение средних напряжений в сечении 9 (при "К - 1) описывается корреляционной формулой, полученной из приведенных графиков (коэффициент корреляции С - 0,9995):

( с Л0'649 и Щ

(2)

где - коэффициент разгрузки, учитывающий отставание обделки от забоя тоннеля, в данном случае О* =0,15;

- удельный вес пород; Н- глубина;

- коэффициент бокового давления в массиве пород;

- модули деформации, соответственно, материала обделки и пород в

массиве.

Отсюда можно определить также допустимую глубину применения обделки толщиной 30 см по формуле:

где

В качестве примера определим допустимую глубину применения обделки тоннеля толщиной 30 см из бетона класса ВЗО в массиве пород с модулем деформации = 3000 МПа. Подставляя значения величин в формулу (3), получаем Н - 640 м (отметим, что коэффициент разгрузки принят равным а* =0,15, что соответствует возведению постоянной обделки на существенном расстоянии от забоя).

Таким образом, согласно изложенному выше предварительному прогнозу напряженного состояния обделки тоннеля, предлагаемая конструкция обделки обладает определенным запасом прочности и может рассматриваться в качестве исходного варианта при проектировании тоннеля.

В работе обоснована конструкция обделки тоннеля, которая на всем протяжении тоннеля, во всех породах и на всех глубинах, является монолитной бетонной (за исключением возможного армирования центральной части плоского лотка).

Результаты диссертационных исследований будут использованы при решении вопроса о строительстве первого в Йемене автодорожного тоннеля, а также -в процессе его проектирования и строительства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании установленных закономерностей формирования напряженного состояния обделок в процессе взаимодействия с массивом скальных пород в тектоническом поле начальных напряжений, в зависимости от коэффициента бокового давления и соотношения модулей деформации материала обделки и пород, изложены научно обоснованные технические решения по конструкции обделки автодорожных тоннелей в Республике Йемен, обеспечивающие прочность обделок и безаварийную эксплуатацию тоннелей, что имеет существенное значение для экономики Йемена.

Обделки тоннеля испытывают нагрузки, обусловленные начальным полем напряжений в массиве пород, вызванным собственным весом пород и тектоническими силами, и возможные сейсмические воздействия землетрясений. Расчет обделок тоннеля выполняется аналитическими методами механики подземных сооружений (методы механики сплошной среды) с использованием схем контактного взаимодействия обделок с окружающим массивом пород.

Сведений о величине и направлении главных начальных, напряжений в массиве горных пород в районе строительства тоннеля не имеется, поэтому расчетные характеристики начального поля напряжений приняты на основании исследований, опубликованных в научных изданиях. Результаты геологических описаний в этом регионе могут быть использованы для оценки характеристик начального поля напряжений в районе строительства тоннеля.

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:

- массив пород сложен прочными вулканогенными и осадочными породами и подвержен действию тектонических сил;

- величина максимальных сжимающих напряжений в массиве не может быть чрезмерно велика, так как массив находится вблизи грабенов Красного моря и Аденского залива в юго-западной части Аравийской плиты.

- сейсмичность территории строительства тоннеля составляет не выше VI баллов по принятой в России шкале MSK-64, поэтому специальные меры сейсмостойкости тоннеля не требуются.

Для анализа напряженного состояния обделки тоннеля в различных инженерно-геологических условиях по трассе выполнен вычислительный (компьютерный) эксперимент. Моделирование напряженного состояния обделки тоннеля производилось с применением компьютерной программы FOK1 расчета обделки тоннеля произвольного сечения с одной осью симметрии сечения. Автор метода расчета и алгоритма проф. Н.Н. Фотиева. Метод расчета - метод механики подземных сооружений (анализ контактного взаимодействия обделки с окружающим массивом пород) - основан на строгом решении соответствующей задачи теории упругости.

Установлен характер напряженного состояния обделки тоннеля. Установлены критические сечения ( 9) в основаниях боковых стен тоннеля, в которых в первую очередь напряжения могут достигнуть расчетного сопротивления и предела прочности материала (бетона). В этих сечениях обделка испытывает только сжимающие напряжения. При уменьшении коэффициента бокового давления в массиве до Л.< 0,34 в обделке вершине свода тоннеля возможно появление растягивающих напряжений. Установлены отношения модулей деформации пород и материала обделки (бетона) и коэффициентов бокового давления пород в массиве, при которых возможно появление растягивающих напряжений в средних сечениях плоского лотка тоннеля. Однако эти сечения не являются критическими для обделки тоннеля.

Установлены зависимости нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях от глубины, удельного веса пород, коэффициента боково-

го давления в массиве, модулей деформации пород и материала обделки в поперечном сечении тоннеля и от коэффициента разгрузки, учитывающего отставание обделки от забоя.

Получены расчетные корреляционные формулы для определения нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях обделки для экспресс оценки прочности и несущей способности обделки в конкретных условиях.

В работе обоснована конструкция обделки тоннеля, которая на всем протяжении тоннеля, во всех породах и на всех предполагаемых глубинах, является монолитной бетонной.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы

заключаются в следующем:

1. В результате численного эксперимента (компьютерного моделирования) установлены закономерности формирования напряженного состояния обделки и распределения нормальных тангенциальных напряжений по периметру сечения обделки, в том числе - в критических сечениях, в характерных для Йемена скальных породах в тектоническом поле начальных напряжений в массиве.

2. Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях от соотношения модулей деформации пород и материала обделки, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве, коэффициента разгрузки, учитывающего технологию строительства тоннеля

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Булычев Н.С., Дахан Абдолнур Абдо Дабван. Первый автодорожный тоннель в Йемене / Материалы Международного симпозиума.- М.: Тоннельная ассоциация России, 2005.

2. Булычев Н.С., Дахан Абдолнур Абдо Дабван, Дерикафтанова К.Г. Перспектива строительства и конструктивные решения обделок автодорожных тоннелей в Йемене / Подземное пространство мира, 2005, № 1.

25.00

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать Ю.0Ъ.05~ Формат бумаги 60x84'/,,. Бумага офсетная. Усл. печ. л. Ог9 . Уч.-изд. л. О^ . Тираж 100 экз. Заказ

Тульский государственный университет. 300600, г. Тупа, пр. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ " -,. 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

2 2 МДР 2005

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Дахан Абдолнур Абдо Дабван

Введение.

1. Анализ состояния вопроса.

1.1. Инженерно-геологические условия строительства тоннелей в Йемене.

1.1.1. Основные черты геологического строения Йемена

1.2. Механические свойства массива горных пород

1.3. Современные методы проектирования и расчета обделок

1.3.1. Ново-Австрийский метод строительства тоннелей

1.3.2. Численное моделирование.

1.3.3. Аналитические метолы расчета. Механика пооземных сооруэ/сений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование конструкции обделки автодорожного тоннеля в Йемене"

Актуальность работы Республика Йемен расположена в юго-западной части Аравийского полуострова. На севере и северо-востоке она граничит с Саудовской Аравией, на востоке - с Оманом. На западе омывается Красным морем, на юге - Аденским заливом (Индийский океан). Территория Йемена расположена в основном на плато, которое на севере и востоке переходит в пустыню Руб-аль-Хали. На западе вдоль берега Красного моря тянется узкая длинная равнинная полоса, отделяющая наиболее населенную и промышленно развитую гористую часть страны (Западно-Аравийское нагорье). Крупнейшие города, в числе которых Сана (столица, более 1 млн. чел.), Таиз (1 млн. чел.), Эль-Ходейда (700 тыс. чел.), Аден (500 тыс. чел.), расположены преимущественно на юго-западе в гористой части страны.

Железных дорог в стране нет, автомобильное сообщение городов осложнено гористым рельефом. Недалеко от столицы Сана расположена гора Эн-Наби-Шаиб высотой 3660 м. Тенденции развития народного хозяйства в свете урбанизации страны, развития промышленности и туризма выявляет необходимость строительства автодорожных тоннелей. Строительство тоннелей будет выполняться преимущественно з достаточно устойчивых скальных и полускальных метаморфизованных породах, что предопределяет буровзрывной способ строительства тоннелей, сводчатое сечение выработки с применением временной крепи и постоянной монолитной бетонной или железобетонной обделки.

Первый тоннель предполагается строить на трассе Таиз-Аден. Протяженность тоннеля составит, ориентировочно, 600-800 м, глубина заложения до 400 м. Поскольку автодороги имеют двухполосное движение, то и тоннель должен быть рассчитан на двухполосное движение (I категории). Для обеспечения безопасности движения и расположения вспомогательных служб параллельно основному тоннелю должен быть построен сервисный тоннель меньшего сечения. В представленной диссертации рассматриваются принципиальные технические решения для основного тоннеля.

В связи с изложенным, представленная диссертационная работа, направленная на научное обоснование рациональных конструкций тоннельных обделок в проектируемых первых автодорожных тоннелях Йемена является актуальной.

Целью работы является научное геомеханическое обоснование рациональных конструкций обделок тоннелей, в типичных для Йемена инженерно-геологических условиях, что позволит обеспечить прочность и требуемую несущую способность конструкций, и безопасность эксплуатации тоннелей в целом.

Идея работы заключается в установлении закономерностей изменения напряженного состояния обделки, взаимодействующей с массивом пород, окружающим тоннель, с учетом вероятных характеристик пород и параметров начального поля напряжений.

Методы исследования включают систематизацию, обобщение и анализ предшествующих исследований и опыта проектирования и строительства тоннелей, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния обделок, численный эксперимент с использованием компьютерных программ аналитического метода расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

В результате численного эксперимента (компьютерного моделирования) установлены закономерности формирования напряженного состояния обделки и распределения нормальных тангенциальных напряжений по периметру сечения обделки, в том числе - в критических сечениях, определяющих прочность обделки в целом, в характерных для инженерногеологических условий Йемена породах (песчаники, известняки и меловые отложения).

Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений в критических точках и критических радиальных сечениях обделки, а также - несущей способности обделки, от соотношения модулей деформации материала обделки (бетона) и окружающих пород, коэффициента бокового давления в нетронутом массиве пород и коэффициента разгрузки, учитывающего технологию строительства тоннеля.

Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечивается использованием компьютерных программ расчета обделок тоннелей, основанных на строгих аналитических решениях соответствующих задач теории упругости, полнотой учета комплекса влияющих факторов, качественным соответствием результатов расчета с данными, полученными другими авторами.

Научное значение диссертационной работы заключается в установлении закономерностей формирования напряженного состояния обделки тоннеля, в зависимости от соотношения модулей деформации пород и материала обделки, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве.

Практическое значение работы состоит в обосновании исходных данных для расчета обделок тоннелей — компонентов начального тектонического поля напряжений, научном обосновании рациональных конструкций бетонной обделки тоннеля в типичных для Йемена инженерно-геологических условиях.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований будут использованы в процессе проектирования и строительства первого тоннеля в Йемене.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава

Тульского государственного университета (г. Тула, 2003-2005 гг.), на Международном симпозиуме Тоннельной ассоциации России (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано две научных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка используемой литературы из 73 наименований, таблиц приложений на 30 стр., включает 23 рисунка, 5 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Дахан Абдолнур Абдо Дабван

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании установленных закономерностей формирования напряженного состояния обделок в процессе взаимодействия с массивом скальных пород в тектоническом поле начальных напряжений, в зависимости от коэффициента бокового давления и соотношения модулей деформации материала обделки и пород, изложены научно обоснованные технические решения по конструкции обделки автодорожных тоннелей в Республике Йемен, обеспечивающие прочность обделок и безаварийную эксплуатацию тоннелей, что имеет существенное значение для экономики Йемена.

Обделки тоннеля испытывают нагрузки, обусловленные начальным полем напряжений в массиве пород, вызванным собственным весом пород и тектоническими силами, и возможные сейсмические воздействия землетрясений. Расчет обделок тоннеля выполняется аналитическими методами механики подземных сооружений (методы механики сплошной среды) с использованием схем контактного взаимодействия обделок с окружающим массивом пород.

Сведений о величине и направлении главных начальных напряжений в массиве горных пород в районе строительства тоннеля не имеется, поэтому расчетные характеристики начального поля напряжений приняты на основании исследований, опубликованных в научных изданиях. Результаты геологических описаний в этом регионе могут быть использованы для оценки характеристик начального поля напряжений в районе строительства тоннеля.

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы: - массив пород сложен прочными вулканогенными и осадочными породами и подвержен действию тектонических сил;

- величина максимальных сжимающих напряжений в массиве не может быть чрезмерно велика, так как массив находится вблизи грабенов Красного моря и Аденского залива в юго-западной части Аравийской плиты.

- сейсмичность территории строительства тоннеля составляет не выше VI баллов по принятой в России шкале MSK-64, поэтому специальные меры сейсмостойкости тоннеля не требуются.

Для анализа напряженного состояния обделки тоннеля в различных инженерно-геологических условиях по трассе выполнен вычислительный (компьютерный) эксперимент. Моделирование напрял^енного состояния обделки тоннеля производилось с применением компьютерной программы FOK1 расчета обделки тоннеля произвольного сечения с одной осью симметрии сечения. Автор метода расчета и алгоритма проф. Н.Н. Фотиева. Метод расчета - метод механики подземных сооружений (анализ контактного взаимодействия обделки с окружающим массивом пород) - основан на строгом решении соответствующей задачи теории упругости.

Установлен характер напряженного состояния обделки тоннеля. Установлены критические сечения ( 9 ) в основаниях боковых стен тоннеля, в которых в первую очередь напряжения могут достигнуть расчетного сопротивления и предела прочности материала (бетона). В этих сечениях обделка испытывает только сжимающие напряжения. При уменьшении коэффициента бокового давления в массиве до X < 0,34 в обделке вершине свода тоннеля возможно появление растягивающих напряжений. Установлены отношения модулей деформации пород и материала обделки (бетона) и коэффициентов бокового давления пород в массиве, при которых возможно появление растягивающих напряжений в средних сечениях плоского лотка тоннеля. Однако эти сечения не являются критическими для обделки тоннеля.

Установлены зависимости нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях от глубины, удельного веса пород, коэффициента бокового давления в массиве, модулей деформации пород и материала обделки в поперечном сечении тоннеля и от коэффициента разгрузки, учитывающего отставание обделки от забоя.

Получены расчетные корреляционные формулы для определения нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях обделки для экспресс оценки прочности и несущей способности обделки в конкретных условиях.

В работе обоснована конструкция обделки тоннеля, которая на всем протяжении тоннеля, во всех породах и на всех предполагаемых глубинах, является монолитной бетонной (за исключением, возможно, в центральной части плоского лотка при л < 0,6).

Основные научные результаты, выводы н рекомендации работы заключаются в следующем:

1. В результате численного эксперимента (компьютерного моделирования) установлены закономерности формирования напряженного состояния обделки и распределения нормальных тангенциальных напряжении по периметру сечения обделки, в том числе - в критических сечениях, в характерных для Йемена скальных породах в тектоническом поле начальных напряжений в массиве.

2. Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях от соотношения модулей деформации пород и материала обделки, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве, коэффициента разгрузки, учитывающего технологию строительства тоннеля.

62

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дахан Абдолнур Абдо Дабван, Тула

1. Arioglu, Е. Optimum support of development roadways. Geomechanical Criteria for Underground Coal Mines Design: ffiSM. Katowice: Central Mining 1.stitute. 1995.-pp. 185-240.

2. Barton N. Characterizing rock masses to improve excavation design. Proc.IV Int. Cong. I AEG, 1982, India, v. IX New Delhi.

3. Barton N. Geotechnical design / Word tunneling focus. Word tunneling and subsurface excavation. London. 1991.

4. Bieniavski Z.T. The Geoniechanics Classification in Rock Engineering Applications. Proc. IV ISRM, v. 2, Montreux, 1979, pp.41-48.

5. Bulychev N.S., Fotieva N.N., Fowell R. Stress-strain state of tunnel lining and surrounding rock mass in vicinity of tunnel face. International Symposium & Exhibition: "Underground Construction 2001", 18-20 Sept. London: Brintex Ltd., pp. 439-448.

6. Eiby G.A. Earthquakes. N. Zeland: Heineman, 1978.

7. Ейби Дж.А. Землетрясения. Пер. с англ. М.: Недра, 19S2. - 264 с.

8. Fenner, R. 1938. Untersuchungen zur Erkenntnis des Gebirgsdruckes. Gluckauf: 32:681-695, 33:705-715.

9. Fotieva N. Calculation of shotcrete with surface irregularities taken. Proc. Of the 8th Plenary Scientific Session of IBSM / World Mining Congress / Essen,22.24 June 1983 (A. Kidybinski & M. Kwasniewski eds.)- Rotterdam: A.A. Balkema, 1983. P. 159-164.

10. Fotieva N.N., Sammal A.S. Design of tunnel lining being constructed in soft watered ground. Proc. Of the Int. Symposium on Underground Construction in Soft Ground. New Dely, India, 3 January 1994. Rotterdam: A.A. Balkema, 1995. - P.209-212.

11. Global patterns of tectonic stress nature M.L. Zoback, M.D. Zoback, J. Adams//Nature. 1989. - V.341.-No 6240.-P. 291-298.

12. Hoek E., Kaiser P.K., Bavvden W.F. Support of underground excavations in hard rock. Rottrdam: Balkema, 1997.' 215 p.

13. Labasse, H. Les presions de terrains autour des puits. Revue Universelle des Mines: 5(3). 1949.

14. Mohr, F. Gebirgsdruck und Ausbau. Gluckauf. 1952. Bd 88, 27/28: 675-683.

15. Muller, L. Removing misconceptions on the New Austrian Tunnelling method. Tunnel & Tunnelling. Special Issue: 1990. pp. 15-18.

16. Stacey T.R., Page C.N. Practical handbook for underground rock mechanics. Clausthal-Zellerfeld: Trans Tech Publication, 1986. 144 p.

17. Terzaghi, K. Theoretical soil mechanics. New York: John Willey. 1943.

18. WG 2, ITA 2000. Guidelines for the design of shield tunnel lining. Tunnelling and Underground Space Technology. Vol 15, 3:303-331.04

19. Бок X. Классификация скальных массивов. В кн. "Введение в механику скальных пород". -М.: Мир, 1983 - С. 159-183.

20. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. - 270 с.

21. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов -М.: Недра, 1982. 270 с.

22. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1994. - 382 с.

23. Булычев Н.С., Дахан Абдолнур Абдо Дабван. Первый автодорожный тоннель з Йемене /' Материалы Международного симпозиума «Россий

24. Ш ское и мировое тоннелестроение взгляд в будущее» - М.: Тоннельнаяассоциация России, 2005.

25. Булычев Н.С., Дахан Абдолнур Абдо Дабван, К.Г. Дерикафтанова. Перспектива строительства и конструктивные решения обделок автодорожных тоннелей в Йемене / Подземное пространство мира, 2005, № 1.

26. Булычев Н.С., Сиавоши М.И. Обоснование исходных данных для проектирования и расчета обделок тоннелей в Иране // Метро и тоннели, 2003.1. С. 23-27.

27. Варга А.А. Инженерно-тектонический анализ скальных массивов. М.: Недра. 1988.

28. Варга А.А. О применении инженерно-геологических аналогов для определения геомеханических характеристик скального массива // Сб. научных трудов Гидропроекта. Вып. 106. М.: 1986.

29. Варга А.А. Эмпирические классификации скальных массивов // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, № 2, 1995. -С. 27-44.

30. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок / Г.А. Крупенников, Н.С. Булычев, A.M. Козел, Н.А. Филатов. -М.: Недра, 1966.-314 с.

31. Джегер Ч. Механика горных пород и инженерные сооружения. М.: Мир, 1975.

32. Дорман Н.Я. Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.: «ТИМР», 2000. - 307 с.

33. Ержанов Ж.С. Конструирование и расчет набрызг-бетонной крепи. М.: Недра, -1971.

34. Заславский Ю.З., Мостков.В.М. Крепление подземных сооружений. -М.: Недра, -1979.

35. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей: ВСН 193-81. М.:ВПТИтрансстрой. 1982.-68 с.

36. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей. ВСН 193-81 / Минтрансстрой // И.Я. Дорман, Н.Н. Фотиева, Н.С. Булычев, А.В. Чернышев, В.И. Медейко и др. М.: ВПТИтрансстрой, 1982. - 68 с.

37. Комплексная система исследований характеристик скальных массивов в Гидротехническом строительстве. П-874-89. Гидропроект.

38. Марков Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива. Л.: Наука, 1977. - 213 с.43,44