Инженерно-геологический анализ вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики

Романов, Дмитрий Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Инженерно-геологический анализ вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологический анализ вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики"

'кописи

РОМАНОВ Дмитрий Александрович

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВМЕЩАЮЩИХ МАССИВОВ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение» (технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК т

Екатеринбург-2013

005543168

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный

университет»

Научный руководитель - Половов Борис Дмитриевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Тагильцев Сергей Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии

Пилеиков Юрий Юрьевич,

кандидат технических наук, Общество с ограниченной ответственностью "Уральский научно-исследовательский и проектный институт горно-металлургической промышленности", зам. генерального директора

Ведущая организация - Институт горного дела УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.04, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (3-й учебный корпус, конференц-зал, ауд. 3326).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.280.04, доктор геолого-минералогических наук, доцент

И. В. Абатурова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нормативы и правила инженерных изысканий, стандартные методы испытаний и статистического оценивания грунтов, описанные в специальной, научной и учебной литературе, отражают высокую степень изученности проблемы получения исходной инженерно-геологической информации. Между тем выполнение требований действующих нормативных документов в части установления категории инженерно-геологических условий и объема изысканий, методов определения свойств грунтов и статистического оценивания результатов выборочных испытаний не исключает возникновение аварийности и осложнений горно-строительных работ. Об этом убедительно свидетельствует накопленный опыт строительства перегонных тоннелей Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов.

Несовершенство действующих нормативных документов объясняется тем, что теоретическую базу статистического оценивания фунтовых массивов и свойств грунтов составляют нормальный и логнормальный законы распределения, реализующие выборочные испытания. Такой подход не гарантирует истинность получаемых результатов и не отвечает современной прикладной статистике, основной составляющей которой являются непараметрические методы оценивания. Последние обладают несомненными достоинствами: высокой эффективностью, независимостью от вида распределений, надежностью для малых (объемами от 5 до 30 вариант) выборок. В целях инженерно-геологической схематизации фунтовых массивов эффективная непараметрическая проверка гипотез может быть выполнена в полностью автоматизированном режиме. Таким образом, тема диссертации, направленная на коррекцию и совершенствование инженерно-геологического анализа вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики с выходом на количественные оценки инженерно-геологических рисков, является весьма актуальной.

Объект исследований - перегонные тоннели метрополитенов гг. Екатеринбурга и Челябинска.

Предмет исследования - методы статистического оценивания вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов.

Цель диссертации - коррекция и совершенствование инженерно-геологического анализа перегонных тоннелей метрополитенов в условиях нестабильности вмещающих массивов на основе методов непараметрической статистики.

Основная идея диссертации - повышение надежности инженерно-геологического анализа перегонных тоннелей на основе методов непараметрической статистики с последующим имитационным моделированием инженерно-геологических рисков и обоснование решений по строительству перегонных тоннелей с учетом инженерно-геологических рисков.

Основные задачи диссертации:

1) разработка методов повышения надежности информации по малым объемам выборок;

2) исследование эффективности методов непараметрической статистики для оценки вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов и

свойств грунтов, формирование комплекса из эффективных непараметрических методов, повышающих надежность инженерно-геологического анализа;

3) совершенствование методов оценки инженерно-геологической рисков, сопровождающих проектирование и строительство перегонных тоннелей;

4) обоснование стратегических, тактических и локальных схем строительства перегонных тоннелей (на примерах Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов) в условиях высокой нестабильности вмещающих массивов.

Методы исследований. При выполнении работы использовались: обобщение результатов ранее выполненных работ; экспериментальные исследования свойств грунтов; вероятностно-статистическое оценивание вмещающих массивов; имитационное и численное моделирование; технико-экономическое обоснование технических решений с учетом инженерно-геологических рисков.

Защищаемые научные положения:

1. Повышение надежности инженерно-геологического оценивания вмещающих массивов перегонных тоннелей и инженерно-геологических рисков обеспечивает реализация вычислительного комплекса, формируемого из известных и разработанных непараметрических методов, предусматривающего их сопоставление с методами, основанными на постулате нормальности распределений выборок.

2. Определение механических характеристик фунтовых массивов по данным скважинной прессиометрии следует выполнять дифференциальным методом по схеме, позволяющей повысить точность и оперативность получаемой информации: сглаживание экспериментальных точек прессиометрической кривой «смещения -давления» кубичным полиномом - вычисление производных смещений по давлению в сглаженных точках - вычисление и линеаризация отношения сглаженных смещений и производной смещений - нахождение механических характеристик методом наименьших квадратов - тиражирование парной выборки - ранговая корреляция - определение статистик по протиражированной информации.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов н рекомендаций подтверждается: экспериментальными исследованиями; вероятностно-статистическим анализом с использованием современных методов прикладной статистики; тиражированием малых выборок, сопоставлением с результатами инженерно-геологических исследований прошлых лет; реализацией в проектах строительства перегонных тоннелей.

Научная новизна результатов исследований:

1. Установлена целесообразность и необходимость коррекции существующих нормативных методов статистического оценивания свойств грунтовых массивов и грунтов, оперирующих малыми выборками (объемом от 3 до 30 компонентов) и постулирующими нормальность или логнормальность выборочной информации.

2. Доказаны результативность и преимущества проекционного метода определения плотности распределений малых выборок с использованием разложений в ряд Грамма-Шарлье по сравнению с нормальным распределением.

3. Доказана эффективность тиражирования (методы «ВосЯэЬ-ер» и <с)аскгпГе») малых выборок, полученных по результатам испытаний свойств

грунтовых массивов и фунтов, включающего предлагаемую процедуру генерации результатов выборочных испытаний рядами Грамма-Шарлье и Эджвуорта.

4. Разработан вариант дифференциального метода оценивания механических свойств грунтовых массивов с реализацией принципа тиражирования выборки по данным скважинных прессиометрических испытаний.

5. Разработаны критерии и модели обоснования проектных и управленческих решений по строительству перегонных тоннелей метрополитенов с учетом риска, определяемого методами непараметрической статистики, в т. ч. методика, синтезирующая 3 D методы конечных элементов и Монте-Карло.

Практическая значимость работы состоит: в разработке пакета из 17 программ, обеспечивающих полную сопоставительность предлагаемых непараметрических и существующих параметрических методов статистического оценивания, а также имитационных моделей стратегических, тактических, локальных проектных и управленческих решений по проектированию и строительству перегонных тоннелей метрополитенов в условиях высокой нестабильности вмещающих массивов.

Реализация результатов работы. Материалы исследования использовались при проектировании и строительстве пускового участка первой линии Челябинского метрополитена (МУП «Челябметротрансстрой») и могут быть переданы проектным и производственным организациям Екатеринбурга и Челябинска ОАО «Уралгипротранс» и ОАО «Челябинскдортранспроект», ЕМУП «УЗПС МЕТРО», ООО «Метрострой - ПТС» (г. Екатеринбург), МУП «Челябметротрансстрой», ООО «Спецподземстрой» (г. Екатеринбург). Пакет прикладных программ будет использоваться в учебном процессе.

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, проведении экспериментов, выполнении научных исследований, обосновании и формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации.

Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на семинарах Уральского отделения Тоннельной ассоциации России (2010, 2011, 2012 гг., г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГТУ (2009, 2010, 2011 гг., г. Екатеринбург), Международных конференциях «Современная механизация работ при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных городов» (2009 г., г. Москва), Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений (2010, 2013 гг., г. Екатеринбург), Уральской горнопромышленной декаде (2009, 2010, 2012,2013 гг., г. Екатеринбург).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в девяти работах, в том числе в трех работах в изданиях, внесенных в список ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация включает общую характеристику работы, четыре главы, заключение, библиографический указатель из 112 наименований. Объем диссертации - 217 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Times New Roman»), 71 таблицу, 75 рисунков, библиографический указатель из 112 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Аналитический обзор изученности методов инженерно-геологического анализа городских подземных сооружений

По совокупности особенностей геологической среды (разнообразие грунтов по всем таксономическим единицам ГОСТ 25-100-95 - классам, группам, подгруппам, типам, разновидностям; высочайшая степень изменчивости инженерно-геологических и гидрогеологических условий; наличие тектонических разломов и крупных трещин, в т. ч. обновленных в новейшее время; значительный объем полускальных и скальных грунтов различной степени разрушенности на глубинах до 40 - 50 м; множественные карманы выветривания глубиной до 70 м; близость к поверхности и выходы прочных скальных грунтов на поверхность; вероятность сейсмических воздействий) подземное пространство Екатеринбурга и Челябинска является уникальным, не имеющим аналогов.

Рассмотренные инженерно-геологические и гидрогеологические документы прошлых лет и фондовые материалы по второй линии Екатеринбургского метрополитена являются ориентировочными и несомненно должны уточняться на стадиях проектирования: «технический проект» и «рабочая документация». Следует отметить, что практика отнесения инженерно-геологических условий трассы первой линии Екатеринбургского метрополитена к категории сложных не позволила предвидеть и предотвратить осложнения и аварии, вызванные недостоверностью исходной инженерно-геологической информации.

Лабораторные и полевые (натурные) методы исследования свойств грунтов устанавливаются действующими стандартами - ГОСТ, ВСН, ТСН. Полевые измерения физико-технических свойств горных пород в сравнении с лабораторными сложны, трудоемки и затратны. Однако в силу существенных отличий между образцом и натурой без проведения таких экспериментов невозможно правильно оценить реальную инженерно-геологическую ситуацию.

Полевые испытания грунтов в скважинах инженерно-геологической разведки или в скважинах специального назначения являются единственным средством получения исходной информации о состоянии массива на глубине по трассам перегонных тоннелей. Идея получения деформационных и прочностных характеристик грунтового массива обжатием стенок скважин эластичными оболочками сформирована в нашей стране (А. А. Ктаторов, 1930 г.). Идея была подхвачена зарубежными изыскателями и без промедления использована на практике (гидравлическим дилатометром Менара к настоящему времени произведено более 3 млн измерений). Активное развитие прессиометрии в СССР произошло в период 60 - 80-х гг. прошлого века (Бондарик Г. К., Бронштейн М. И., Воробков Л. Н., Елпанов В. Г., Коренева С. Л., Лушников В. В., Мариупольский Л. Г., Пшеничников К. Г., Тер-Мартиросян 3. Г., Тарасова И. В., Трофи-менков Ю. Г., Хазанов М. И., Швец В. Б. и др.): совершенствовалась инструментальная база, разрабатывались методики измерения, расширялась область применения, была создана прогрессивная теоретическая база, проводились Всесоюзные конференции и совещания. С началом рыночных реформ в Российской

едерации развитие отечественной прессиометрии практически завершилось, многие ее достижения оказались невостребованными.

Прессиометрические испытания экономичны, оперативны, для их проведения используется простое оборудование. Однако в настоящее время прессиометрические испытания не пользуются популярностью в отечественной изыскательской среде. Одним из мероприятий, обеспечивающих дальнейшее эффективное применение скважинной прессиометрии для инженерных изысканий трасс перегонных тоннелей, является совершенствование методов статистической обработки получаемой информации.

Обзор методов статистической обработки результатов испытаний грунтов выполнен по направлениям: статистическая оценка числа испытаний; статистическое разделение вмещающих массивов на условно-однородные участки - основные грунтовые единицы; статистическая обработка результатов испытаний для оценки нормативных и расчетных значений характеристик грунтов. Практикуемые аналитические и нормативные методы постулируют нормальность распределения выборок и оперируют в основном с выборками малого объема, реже - с выборками среднего объема. Такой подход не отвечает современной прикладной статистике, основной составляющей которой являются непараметрические методы статистического оценивания. Очевидная область применения непараметрической статистики - неизвестный (или отличный от нормального) закон распределения; малые выборки; объекты различной физической природы.

Отметим, что актуализированный 01.08.2013 ГОСТ Р 54500.3.1-2011. «Неопределенность измерения», разработанный в связи с обязательствами Российской Федерации при вступлении в ВТО, не ограничивается постулатом нормальности и предусматривает реализацию иных распределений, причем, для их «трансформирования» регламентируется использование метода Монте-Карло.

Разработка непараметрической статистики является в значительной степени заслугой советских и российских ученых (А. Н. Колмолгоров, В. И. Смирнов, Л. Н. Большев, А. А. Боровков, Д. А. Родионов, Н. Н. Ченцов, А. И. Орлов, Г. В. Мартынов и др.) Термин «непараметрическая статистика» в 1942 г. ввел в научный лексикон проф. Я. Вулфовиц (США). Существенный вклад в развитие непараметрической статистики внесли К. Пирсон, Ч. Спирмен, М. Кендалл, Ф. Уилкоксон, Б. Эфрон и др.

Следует отметить непопулярность непараметрической статистики в инженерном сообществе по сравнению с традиционной параметрической статистикой, основным объектом которой являются выборки, описываемые нормальным распределением. Между тем «неоднократно публиковались экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что распределения реально наблюдаемых случайных величин, в частности ошибок измерения, в подавляющем большинстве случаев отличны от нормальных (гауссовских). Тем не менее теоретики продолжают строить и изучать статистические модели, основанные на гауссо-вости, а практики — применять подобные методы и модели. Другими словами,

"ищут под фонарем, а не там, где потеряли"» [Орлов А. И. Прикладная статистика. М.: Издательство «Экзамен», 2006. С. 626].

Имитационное моделирование обладает несомненными преимуществами по сравнению с другими вероятностными методами, применяемыми для оценки состояния грунтовых массивов. «Метод достоверен, весьма гибок, и его можно привлекать для использования во многих инженерно-геологических ситуациях независимо от законов распределения случайных величин. Более того, моделирование методом Монте-Карло может служить единственным рабочим инструментом решения сложных задач с большим числом случайных компонентов. Имитационные модели не требуют допущений и упрощений, для определения надежности или риска нет необходимости подразделять характеристики вмещающих грунтов, нагрузки и прочностные характеристики объекта на нормативные и расчетные». Таким образом, метод Монте-Карло может служить основным инструментом анализа инженерно-геологических рисков на стадиях проектирования и строительства перегонных тоннелей, разумеется, при условии наличия надежной инженерно-геологической информации.

2. Статистическое оценивание грунтов и грунтовых массивов по трассам перегонных тоннелей метрополитенов

Преимущество выборочного испытания по сравнению со сплошным можно реализовать, если оно организовано и проведено в строгом соответствии с научными принципами теории выборочного метода. Такими принципами в первую очередь являются: обеспечение случайности (равной возможности попадания в выборку) отбора вариантов и достаточного их числа, восстановление плотности распределения.

Проведенные исследования случайного характера выборочных испытаний свойств грунтов по трассам линий Екатеринбургского метрополитена показали, что гипотеза случайности, проверенная по непараметрическому критерию серий, не подтверждается достоверно для всех ранее полученных малых выборок. В этом случае необходимы или проведение дополнительных испытаний, или «тиражирование» выборочной информации на основе современных методов непараметрической статистики.

Все нормативные документы без исключения устанавливают минимальные объемы выборочных испытаний п в интервале от 2 до 30 в предположении нормальности распределения генеральной совокупности случайных чисел. Между тем результаты проверки гипотезы нормальности (логнормальности), выполненные популярными инженерными методами (по асимметрии и эксцессу, методам X. А. Девида и Н. В. Смирнова), носят весьма противоречивый характер. Наиболее надежные результаты получены по мощному непараметрическому критерию Шапиро-Уилка для выборочных испытаний малых выборок. Важное достоинство этого критерия - возможность определить вероятность подтверждения гипотезы нормальности распределения выборки, иными словами, определить степень «близости» истинного распределения выборки к нормальному. Так, для выборки 5; 5,8; 6,2; 6,8; 7; 7,5; 8,2; 8,4; 8,7 - по этому критерию гипотеза нормальности может быть принята с вероятностью 0,795 (программа

1GMVP04). Отметим, что для подавляющего большинства малых выборок степень близости составляет менее 50 %.

Непараметрический метод определения минимального объема выборки выполняется по неравенству Чебышева: Р( \ х - М(х) I < е) > 1 - D(x) / (и б,2), здесь P(U - М{х) I - вероятность того, что разность х - М{х) не превысит заданного числа в; М(х) - математическое ожидание изучаемой случайной величины; D(x) - дисперсия выборки из п испытаний, D(x) = S2. Из приведенного неравенства следует: пс = 1 - Рс) еД е, - показатель, принимаемый в инженерных расчетах 0,05 х, 0,1 х ит. д. В табл. 1 приведены сопоставительные данные, полученные в предположении нормальности распределения и произвольного распределения выборок (программа 1VPGM05): с повышением точности минимальные объемы выборок, установленные непараметрическим методом, существенно возрастают. Второе назначение неравенства Чебышева - отбраковка грубых погрешностей результатов выборочных испытаний (модуль OTBRAKOVKA).

Полез!шй инструмент инженерно-геологического анализа малых выборок -тиражирование - увеличите объема выработки серией вычислительных экспериментов. В арсенале современной прикладной статистики используются два оригинальных приема тиражирования: «бутстреп» (Б. Эфрон, 1979 г.) и «складной нож» (М. Кенуй и Дж. Тьюки, 1949 г.).

В табл. 2 приведен пример тиражирования выборки и данные бутстреп-анализа (программа BYTSTRE6). Статистики объединенной выборки, N е 1, 900: хср = 7,01; 5,= 1,14; Ах = - 0,14; Ех = - 2,62; Me = 7,0; Mo = 6,8.

В бутстреп-повторениях наивысшую устойчивость демонстрируют средние выборочные, стандарты, медианы; приемлемую - асимметрия и меньшую -эксцесс (в контексте имитационного моделирования эксцесс имеет второстепенное значение, поскольку риски устанавливаются по хвостам распределений). В целом статистики бутстреп-повторений не имеют существенных отличий от исходной выборки, которые могли бы поставить под сомнение целесообразность бутстрепа, причем чем меньше коэффициент вариации, тем выше его продуктивность.

С целью проверю! качества бутстрепа в зависимости от объема исходных выработок результаты бутстеп-анализа сопоставлялись с выборками, полученными при испытаниях свойств грунтов (12 партий по 12 образцов в партии, испытания выполнены на образцах неправильной формы). В табл. 3 приведены результаты последовательного бутстрепа (по выборкам объемом 12, 24, 48, 72 компонента). Для сравнения статистики объединенной выборки объемом 144 элемента: среднее выборочное 491,36; стандарт 242,55; асимметрия 0,628; эксцесс 2,763; коэффициент вариации: 0,494; медиана 452,85.

Выполненный анализ эффективности тиражирования малых выборок свидетельствует, что бутстреп не является безусловной заменой методов анализа исходных данных, вместе тем бутстреп - ценный инструмент анализа геомеханических ситуаций - третья беззатратная альтернатива двум существующим: 1 - принять существующую исходную информацию как данность и 2 - провести повторные выборочные испытания. Опииетим, что по ГОСТ Р 54500.3.1 основ

ным принципом трансформации распределений по методу Монте-Карло «является получение повторных выборок из плотности распределения вероятностей для входных величин». При этом число генераций составляет от 104до 106.

Таблица I

Объемы выборок (сопоставительные оценки)

Нормальное распределение Произвольное распределение

точность коэффициент гарантии коэффициент вариации объем точность надежность е „ = е, X объем

0,2 0,1777 3 0,2 0,8 1,413333 4

0,15 6 0,15 0,85 1,06 9

0,1 13 0,1 0,9 0,7066668 32

0,05 51 0,05 0,95 5,000001 Е-02 257

0,01 1264 0,01 0,99 9.99999Е-03 31589

Таблица 2

Бутстреп-анализ результатов определения сцепления, тс/м2 (BYT6MED.TXT)

Номера ком- Исходная Первые десять бутс треп-повторений в ыборки

понентов. выборка, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 5,0 8,2 8,2 8,7 7,5 8,2 5,0 8,7 6,2 8,4 8,2

2 5,8 7,0 5,0 6,8 6,2 8,7 5,0 6,8 7,5 6,8 8,7

3 6,2 7,5 6,8 7,0 6,2 6,2 8,4 6,2 5,8 6,2 8,4

4 6,8 6,2 8,4 8,2 8,4 7,0 6,2 5,8 5,8 8,7 5,0

5 7,0 6,2 8,4 5,0' 8,4 5,0 5,0 5,8 7,5 7,5 7,0

6 7,5 8,2 6,8 7,5 7,5 8,7 6,2 7,5 5,0 7,5 8,7

7 8,2 5,0 8,7 7,0 8,7 8,2 6,8 6,8 7,0 6,8 6,8

8 8,4 8,2 8,4 6,2 8,7 5,0 6,2 6,8 8,7 5,0 8,2

9 8,7 8,4 5,0 7,5 6,2 7,5 8,7 8,2 6,2 7,5 7,0

7,07 7,21 7,3 7,1 7,53 7,17 6,39 6,96 6,63 7,16 7,56

£ 1,26 1,20 1,50 1,09 1,20 1,74 1,56 1,02 1,23 1,13 1,32

А, -0,18 -0,21 -0,16 -0,31 0,75 -0,23 -0,63 0,12 -0,58 -0,20 0,25

Е, -7,24 -3,40 2,67 -1,91 -2,68 3,52 2,48 -0,84 -4,77 -2,35 5,12

Ме 7,0 7,5 8,2 7,0 7,5 7,5 6,2 6,8 6,2 7,5 8,2

Мо - 8,2 8,4 7,5 6,2 8,7 6,2 6,8 7,5 7,5 8,7

Таблица 3

Результаты бутстреп-анализа прочности грунта на сжатие (ВУТвТШ!)

Объем исходной выборки Число бутстреп повторний Среднее выборочное Стандарт Асимметрия Эксцесс Медиана Коэффициент вариации

12 120 460,9 236,7 0,131 1,441 426,7 0,514

24 60 423,3 227,7 0,402 1,697 358,8 0,538

48 30 458,6 237,1 0,445 2,138 399,4 0,517

72 20 482,1 250,2 0,599 2,440 418,6 0,519

Достоверное и точное знание плотности распределения позволяет реализовать современные вероятностные критерии для обоснования оптимальных технических решений по факторам инженерно-геологического риска. Таким образом, появляется возможность найти «золотую середину»: с одной стороны, минимизировать потенциальный ущерб в денежной форме (аварийность, травматизм), с другой - исключить неоправданные затраты на строительство и поддержание горнотехнических объектов. «В анализе той. надежности, которая «скрыта» в формулах СНиП, неоправдан высокий уровень 0,9996 - 0,999997, незави-

симо от той роли, которую играет в конструкции или сооружении проектируемый элемент» (А. Р. Ржаницын).

На практике функция плотности распределения неизвестна. Ее необходимо восстанавливать. Современная прикладная статистика оперирует тремя перспективными непараметрическими методами оценки плотности распределения выборок: гистограммное представление плотности; ядерная оценка плотности; проекционное оценивание. Последний, разработанный Н. Н. Ченцовым, является следующим важным шагом в развитии непараметрических методов оценивания. Для проекционных оценок плотности можно использовать значительное количество ортонормированных систем, в т. ч. разложение в ряды по полиномам Эрмита: Подробное описание процессов разложения по полиномам Эрмита приводится в специальной литературе по теории вероятности и математической статистике и, что следует отметить особо, в технических приложениях. Варианты этих разложений (ряды Грамма-Шарлье и Эджвуорта), применяемые в строительстве и горном деле, рассматриваются как универсальные законы распределений. Интегральная функция распределения Грамма-Шарлье, ограниченная тремя членами ряда, имеет вид:

1 А Е

Дг) = — (1 + Ф(г)) - - ф(/2'(г) + — Фо'3>(2);

2 3! 4!

где А, Е- асимметрия и эксцесс; Ф(г) = 1Л/2 \ ехр( - 0,5г2) сЬ\ ф0(2)(г), ф0(3)(г), <р0(4)(г),

Фо(3,(2) - производные от Ф(г).

В табл. 4, 5 приведены сопоставительные результаты оценки распределений двух выборок - углов внутреннего трения и сцепления грунтов - выполненные по минимуму критерия %2 (программа Х1К\\ЩОМ). Выполненные исследования выборочных испытаний не подтверждают нормальность распределения выборочных испытаний физико-механических свойств грунтов и свидетельствуют об эффективности проекционных оценок плотности их распределений.

Таблица 4

Теоретические и фактические частоты распределений.

Угол внутреннего трения, град. Критерии х2

и Закон распределения случайных величин

Фактическ частоты нормальный логнор-мальный Грамма-Шарлье Грамма-Шарлье (по пяти членам ряда) Эджворта Вейбулла экспоненциальный _____ Релея

3 1,995 2/8,735 2,122 2,251 2,600 0,546 12,000 36,590

5 6,796 1/0,934 6,215 6,437 3,912 4,341 9,000 13,160

13 13,170 2/4,911 12,517 12,011 13,082 10,941 7,000 0,260

17 14,530 8/12,798 14,868 15,277 13,768 15,086 5,000 17,523

9 9,130 23/16,578 9,923 9,912 12,210 12,173 4,000 4,041

3 3,270 14/10,680 3 329 3.092 3,753 5,500 3,000 3,110

х2 1,426 44,410 1 041) 0 933 . 2,120 91,176 48,721 71,980

Теоретические и фактические частоты распределений. Сцепление. Критерии х2

а> 5 Закон распределения случайных величин

Фактическ частоты нормальный л -й- «» о = — Л £ § ~ 5 Грамма-Шарлье Грамма-Шарлье (по пяти членам ряда) Эджворта Вейбулла экспоненциальный Релея

13 10,84 4/2,21 11,42 10,81 9,93 5,11 26 100,00

34 18,72 8/6,88 21,71 24,07 21,50 14,43 19 54,78

16 23,09 13/14,87 23,90 24,68 24,54 19,77 14 14,24

13 20,34 23/22,36 17,10 14,28 16,30 20,07 11 10,54

13 12,80 17/23,42 11,57 11,54 13,17 16,54 8 7,80

7 5,75 20/17,07 6,49 7,83 7,01 11,46 6 5,77

4 1,84 15/8,66 2,66 3,07 2,53 6,78 4 4,27

х2 20,53 176,57 ^ П,б5 ; ..т ■ 12,72 94,15 22,28 114,23

Распределение Грамма-Шарлье - эффективный инструмент для вычислению! расчетных значений свойств грунтов, о чем свидетельствует сопоставление с гос-товским методом. Например, для выборки 5; 5,8; 6,2; 6,8; 7; 7,5; 8,2; 8,7; 8,4 по программам ЮМУР12, 1СМУР13 получаем по схеме «надежность - расчетное значение по ГОСТ 20522 - расчетное значение по распределению Грамма-Шарлье», соответственно: 0,85 - 6,606 - 6,958; 0,95 - 6,288 - 4,958; 0,99 - 5,852 -3,481.

В сравнении с параметрическим нормативным оцениванием однородности выборок (ГОСТ 20522-96) непараметрические методы определения однородности РГЭ обладают двумя достоинствами: высокой эффективностью, независимостью от вида распределений, надежностью сопоставления как для «умеренных», так и малых (объемами 5 и 6, 6 и 6,6 и 7 ...) выборок. Высокое качество проверки гипотезы однородности выборок обеспечивается по критерию «со2 - омега-квадрат» типа Лемана-Розенблатта. Статистика этого критерия задается формулами:

п т

Т— (¿1 / /3) - и = тпА + пВ = т Е (г, - 1)г + п Е (.?, -у)2;

¡2 = (4 т п - 1) / (6 (от + п))\ ¿з = т п (т + п), где г, - ранги выборки / е п\ л^ - ранги выборки] е т. Критические значения критериев Гкр: 0,3473 - уровень значимости 0,9; 0,4614 - уровень значимости 0,95; 0,7435 - уровень значимости 0,99; 0,8694 - уровень значимости 0,995; 1,1679 -уровень значимости 0,999. Если Т > Гкр, гипотеза однородности принимается.

В табл. 6 приводятся результаты оценки однородности выборок, демонстрирующие принцип автоматического решения проблемы раздельного вычисления сумм А, В с рангами г, и sJ. Значение Т больше Т^дд = 0,3473 и меньше ^кр о,95 = 0,4614. Гипотеза об объединении двух выборок принимается с уровнем значимости, устанавливаемым методом интерполяции: а = 0,95 + (0,9 - 0,95) (0,3423- 0,4614) / (0,4480 - 0,4614) = 0,944.

Статистическое оценивание двух выборок объемом т = 9 и п - 9 (программа ОМЕСАК\У, текстовый файл ОМК\УЗ)

Операция Результат

Ввод: выборка 1 выборка 2 7 6,2 7,5 8,2 5 7,57 7 6,2 7,5 8,2 5 8,8 8,4 8,4 6,8 8,7 8,4 5

Формирование вариационного ряда Щк) 5 5 5 6,2 6,2 6,8 7 7 7,5 7,5 7,57 8,2 8,2 8,4 8,4 8,4 8,7 8,8

Ранжирование вариационного рада 2 2 2 4,5 4,5 6 7,5 7,5 9,5 9,5 11 12,5 12,5 15 15 15 17 18

Метка второй выборки 5,0001 5,0001 6,8001 8,2001 8,4001 8,4001 8,4001 8,7001 8,8001

Формирование вариационного ряда Е(к) с метками второй выборки 5 5,0001 5,0001 6,2 6,2 6,8001 7 7 7,5 7,5 7,57 8,2 8,2001 8,4001 8,4001 8,4001 8,7001 8,8001

Е (г, - г)2 первой выборки по условию: Е(к) - Щк) = 0 67,75

£ (5/ - У)2 второй выборки по условию: Е(к) - Щк) > 0 489,25

1\, 'г, ¡г, Г-статистика /, = 5013,12 = 2,991, г3 = 1458, Т= 0,448

В геологической практике для определения однородности грунтового массива пород и выделения границ между статистически однородными участками при наличии линейно упорядоченной информации используется информативный критерий Д. А. Родионова (программа KRITROD1). Достоинства критерия — качество расчетов и возможность выделения РГЭ, одноэтапность и однозначность - определяют преимущества и целесообразность реализации этого критерия при изучении объектов подземного строительства.

По результатам выполненных сопоставительных исследований непараметрических и параметрических методов статистического оценивания грунтов и грунтовых массивов сформулировано первое научное положение.

3. Прессиометрические испытания. Статистическое оценивание

Эффективная оценка состояния и свойств массива горных пород на пред-проектной стадии в буровых скважинах выполняется установками статистического зондирования фирмы «Фугро» отечественный аналог - установка «С-832»; до глубины 30 м црессиометром УПИ ПЭВ-89МК, до глубины 1400 м прессиометром «Soilexperts» (в неустойчивых грунтах прессиометрические испытания проводятся по схеме: спуск прессиометра с обсадной колонной на заданную глубину - подъем колонны на высоту прессиометра — собственно испытание - перемещение прессиометра в обсадную колонну - подъем колонны на высоту прессиометра и т. д.). В общем случае информация, получаемая непосредственно в массиве, включает: модули упругости и деформации; пределы пропорциональности, упругости, пластичности; угол внутреннего трения; сцепление. При этом дифференцируются линейнодеформируемая, упруго-пластичная и пластичная среды. Кроме того, появляется возможность для надежного выде-

ления инженерно-геологических (ИГЭ) и расчетно-геологических (РГЭ) элементов.

Скважинные прессиометрические испытания прочно вошли в состав инженерно-строительных изысканий, такие испытания горных выработок широко используются при возведении крупных горнотехнических сооружений. Однако по ряду объективных и субъективных причин до недавнего времени внедрение прессиометров в практику оценивания свойств грунтовых массивов городских подземных сооружений имело ограниченный характер. Активным толчком к изучению эффективности прессиометрических испытаний в указанных условиях послужили практические работы, выполненные ООО «Метрострой ПТС» при строительстве станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена.

Для определения модуля упругости грунтов Е используется линейный участок ВС прессиограммы рис. 2:

АР

Е = {\ + ц) d0—=—, Ad

где |i - коэффициент Пуассона, устанавливаемый до начала прессиометрических испытаний; d0 - начальный диаметр скважины; АР - приращение давления на участке пропорциональных деформаций; Ad - приращение диаметра на участке пропорциональных деформаций; API Ad - тангенс угла наклона участка ВС.

Участок прессиометрической кривой, заключенный между критическими нагрузками Ре и Р,, может служить характеристикой прочностных свойств испытуемого фунта. С этой целью модифицирован дифференциальный метод определения углов внутреннего трения и сцепления ВСЕГИНГЕО, включающий следующие процедуры:

1) экспериментальные точки прессиометрической кривой на участке CD (см. рис. 2) сглаживаются кубичным полиномом;

2) в сглаженных /-х точках вычисляются соотношения Y,:

У, = (U/ U)¡ = P¡ sin ф (1 + sin ср)~1 + с cos ср ((1 + sin <р)~(1)

_ I+sin ф

Р + С Ctg ф

51П(р

(2)

£/=b^r0(sin<pP0+cctgq>) 7 . ,

Е (1 + sm фД/о + cctg ср)

где U¡ - смещения стен скважины по В. К. Руппенейту; U¡ — производная от смещений по давлению Р,; ф - угол внутреннего трения; с - сцепление;

3) методом наименьших квадратов находятся угловой коэффициент sin ф (1 + sin ф)~ 1 и свободный член cos ф ((1 + sin ф)" 1 линейной зависимости (2), по которым вычисляются значения угла внутреннего трения ф и сцепление с фунтового массива;

4) производится проверка полученных результатов (устанавливается средняя относительная пофешность);

5) исходная экспериментальная выборка тиражируется путем последовательного изъятия одного компонента и возвращения предыдущего, изъятого с повторением процедур 1, 2, 3 - метод «складной нож» М. Кунуя - Дж.'Тьюки;

6) выполняется статистическое оценивание найденных значений фу и Cj.

Результаты вычислений (программа 1GPVP16). ф = 25,23°; с= 0,0447 МПа.

Тиражированные данные прочностных показателей (программа 1GMVP17): ф, град.: 25,08, 22,51, 26,62, 27,07, 23,01, 23,35, 24,44, 25,74, 26,56, 31,44; с, Мпа: 0,0431, 0,0534, 0,0400, 0,3080, 0,0470, 0,0479, 0,0458, 00,447, 00,424, 0,0352. Результаты статистического оценивания: ф, град.: ММ1 = = 25,5804; SS1 = 2,511133; ASS = 0,9999344; EKS = 0,2901068 (здесь ММ1 -среднее выборочное; SS1 - стандарт; ASS - асимметрия; EKS - эксцесс).

Рис. 1. График <1=дру. ОА - расширение камеры дилатометра до контакта со стенками скважины; АВ - обжатие неровностей на поверхности скважины; ВС - упругие деформации грунта; СХ) - пластические деформации; Ре - предел пропорциональности; Р, -предел прочности; <Зо - начальный диаметр скважины; Р0бЖ -давление обжатия скважины; Рьаг. - боковое давление

Получаемый набор статистик - среднее выборочное, стандарт, асимметрия, эксцесс - достаточен для выполнения достоверных инженерно-геологических рисков в имитационной постановке.

По результатам исследований главы 3 сформулировано второе научное положение.

4. Реализация непараметрических методов инженерно-геологического анализа вмещающих массивов перегонных тоннелей Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов

Основой для формирования моделей выбора стратегических, тактических и локальных решений являются взаимосвязи финансовых поступлений, затрат на получение исходной информации о состоянии техноприродной среды, горно-строительного, научно-технического сопровождения строительства, возможные поступления и цены значимых рисков. Динамический характер систем обеспечивается в результате учета фактора времени дисконтированием разно-зременных поступлений, затрат, платежей, ущербов и т. п. В адаптированной форме критерий выбора решений по строительству перегонных тоннелей мет-

рополитенов с учетом неполученной «комплексной эффективности от строительства и эксплуатации метрополитена» имеет вид:

т+лг г» г 1Ч

СДЗ= Е Э( 1 + Е)~' + ТХ,(1+Е)" + Зт+ Зикф+ +Е)-мтап.

/=0 /=0 >1 1=1/

где СДЗ - суммарные дисконтированные затраты; Э - показатель неполученной комплексной эффективности от строительства и эксплуатации метрополитена; Е -месячный коэффициент дисконтирования; К, - затраты строительной организации на строительство объекта, предусмотренные проектом; Знт - затраты на приобретение новой техники; ЗИНф - дисконтированные затраты на получение информации и научно-техническое сопровождение; Г+ ДГ - фактическое время ввода линии метрополитена (пускового участка линии) в эксплуатацию с учетом совокупности факторов риска, оказывающих влияние на продолжительность строительства; г -количество видов риска; - ценау'-х рисков в период от / = ^ до / = (.¡¡.

На изложенной основе обоснована стратегия строительства перегонных тоннелей первого пускового участка первой линии Челябинского метрополитена. Сопоставлены два варианта строительства на перегоне станций «Комсомольская площадь» - «Площадь Революции» - сбойка с пройденными тоннелями в районе станции «Торговый центр»: вариант 1 - проходка тоннелей двумя тоннелепроходческими комплексами «Ловат» (существующим и планируемым к приобретению); вариант 2 - проходка тоннелей традиционным буровзрывным способом. Значимые риски найдены непараметрической оценкой результатов групповой экспертизы, количественные уровни рисков (вскрытие обводненных зон и ослабленных участков, деформаций поверхности, зданий и сооружений) - методом статистического моделирования. Суммарные дисконтированные затраты по первому варианту составили 4998,2, по второму 6281,2 млн. р.

Оценка состояния перегонного тоннеля Екатеринбургского метрополитена под руслом р. Исеть выполнена методами численного и статистического моделирования с последующим сопоставлением полученных результатов. Строительство тоннеля моделируется в среде Р1ах1э ЗО как поэтапный процесс. На рис. 2, а показана инженерно-геологическая схематизация объекта, на рис. 2, б — мульда оседания поверхности.

Имитационное моделирование реализовано по формулам проф. Ю. А. Ли-манова и С. Г. Авершина. В условиях отсутствия статистик (использовались инженерно-геологические материалы 80-х годов) принят нормальный закон распределения. Средние выборочные случайных характеристик грунтов равны детерминированным значениям для ИГЭ 1 и средневзвешенным для ИГЭ 8а, 5а, 6, 7. В соответствии с положениями ГОСТ 20522-96 стандарты найдены как произведения среднего выборочного на коэффициент вариации, равный 0,3 для механических характеристик, 0,15 - для физических.

Результаты детерминированных расчетов, по Ю. А. Лиманову и С. Г. Авершину: максимальное оседание 0,048 м; длина полумульды сдвижения 75,9 м; максимальная разность осадок 0,00114. Результаты статистического модели-

рования по методу Монте-Карло (программа «ОгАйОР): уровни риска максимальных оседаний относительно предельного значения 0,08 м и разности осадок относительно предельного значения 0,002 м составляют соответственно 0,189 и 0,17.

а б

Оценка риска и надежности бетонной обделки тоннелей 2-й линии Екатеринбургского метрополитена выполнена методом Монте-Карло. В качестве основы используется методика проф. Н. С. Булычева, согласно которой проведен детерминированный расчет в неравнокомпонентном поле напряжений. Риск Л для обделки определяется по программе ШЗАОВШ отношением числа генераций с коэффициентом запаса менее единицы к общему числу генераций. Соответственно надежность обделки составит: 1 - Л.

Модуль упругости грунта установлен по экспериментальной обратной ветви прессиометрической диаграммы, приведенной на рис. 3, по координатам точек 17 - 22, МПа, м: 2,2 0,00515; 1,8 0,005148; 1,4 0,005133; 1,0 0,0051; 0,6 0,005065; 0,2 0,00499. По программе 11ЕОМСЮУЬ определяются коэффициенты корреляции Спирмена и линейной регрессии а = 11294,21, Ъ ~ - - 56,37411, устанавливаются интервалы АР = Ртах - Ртп = 2,2 - 0,2 = 2, Д[/ = = ит*к - итп = 0,00586208 - 0,00500913 = 0,0001770821, здесь £/тах = (Ртах + аЬз(й)),/ а, ит1П - (Ртт+ аЪз(Ь)) / а.

Скважина 1т

Глубина испытаний 23,0 с

5 11 у* /} / 19 / 2d

1 — к 22 Л 21 /

Рис. 3. Прессиометри-ческая диаграмма

4 600 4 800 5 ООО

Деформация (микроны)

Модуль упругости £o=rOT(l+Vo)AP/At/=0,05(l+0,27)2/0,0001770821 = = 717 1813 МПа. Статистики модуля упругости грунта восстановлены по методу Кенуя-Тьюки рядом 614,4099, 709,2529, 746,0008, 718,0083, 684,475, 1047,961: хс = 753 333, S = 151,0572, А = 1,084625, Е = -0,4603818. Статистики после бут-стреп-повтор'ений: хср = 745,3513, 5 = 145,3527, А = 0,8212256, Е = 0,3603624. Критерии X2- нормальное распределение 98,48; распределение Грамма-Шарлье (3 члена ряда) 23,12; распределение Грамма-Шарлье (5 членов ряда) 18,51.

Статистики объемного веса фунта МПа/м3: хср = 0,003 14, S = 0,0014, А = = 0,25, Е = -0,55.

Статистики характеристик фунта v0 (v0 = 0,32) и материала обделки £, (Еicp = 23000 МПа), v, (v, = 0,2): среднее выборочное отождествляется с детерминированным значением характеристики; стандарт определяется в соответствии с указанием ГОСТ 22522-96 по коэффициенту вариации V= 0,3.

Статистики коэффициента безопасности по бетону Кь, необходимые для определения расчетного сопротивления бетона по формуле Rb = R / Кь, определяется по принципу «трех сигм» 1,3 - 1,0 = 3 о: = 1, S = 0,1.

Таблица 7

Результаты имитационного моделирования

Класс бетона В15 В20 В25 ВЗО

Летепминипованное значение коэффициента запаса 1,141583 1,929587 2,313928 3,769833

Риск 0,200 0,006 0,002 0,001

Надежность 0,800 0,994 0,998 0,999

Полученные результаты даны в табл. 7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является завершенной научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение научно-практической задачи повышения надежности статистического анализа вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов и оценки инженерно-геологических рисков на основе методов непараметрической статистики, имеющее существенное значение при проектиро вании и строительстве метрополитенов.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

3. Доказана эффективность тиражирования (методы «Во^зй-ер» и «1асктГе») малых выборок, полученных по результатам испытаний свойств грунтовых массивов и грунтов, включающего предлагаемую процедуру генерации результатов выборочных испытаний рядом Грамма-Шарлье.

4. Разработан вариант дифференциального метода оценивания механических свойств грунтовых массивов с реализацией принципа тиражирования по данным скважинных прессиометрических испытаний.

5. Разработаны критерии и модели обоснования проектных и управленческих решений по строительству перегонных тоннелей метрополитенов с учетом риска, определяемого методами непараметрической статистики, в т. ч. методика, синтезирующая 3 О методы конечных элементов и Монте-Карло.

6. Разработан пакет прикладных программ непараметрического вероятностно-статистического анализа вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов.

7. Результаты выполненных исследований предназначены для реализации в организациях, ведущих инженерно-геологические изыскания, проектирование и строительство метрополитенов.

8. Материалы исследования использованы при проектировании и строительстве пускового участка первой линии Челябинского метрополитена (МУП «Челябметротрансстрой») и могут быть переданы проектно-изыскательским и производственным организациям Екатеринбурга и Челябинска: ОАО «Уралги-протранс» и ОАО «Челябинскдортранспроект», ЕМУП «УЗПС МЕТРО», ООО «Метрострой - ГТГС» (г. Екатеринбург), МУП «Челябметротрансстрой», ООО «Спецподземстрой» (г. Екатеринбург). Пакет прикладных программ будет использоваться в учебном процессе.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи, опубликование в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК:

1. Романов Д. А., Половов Б. Д. Непараметрическая оценка нестабильности физико-технических свойств грунтов // Известия вузов. Горный журнал.

2009. №6. С. 47- 55.

2. Волков М. Н., Половов Б. Д., Романов Д. А. Непараметрическая оценка физико-технических свойств грунтов на стадии проектирования городских подземных сооружений. // Строительная геотехнология. Отдельный выпуск 6.

2010. С. 112- 123.

3. Геомеханический анализ горнотехнических объектов. Точки роста / Половое Б. Д., Волков М. Н., Михайлов Д. В., Романов Д. А., Токарев П. К., Хар-ченко Д. И. // Известия вузов. Горный журнал. 2013. № 7. С. 40 - 50.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

1. Обоснование эффективных решений по строительству сооружений Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов / Половов Б. Д., Корнилков М. В., Романов Д. А., Бизюков А. П., Строев Ю. М., Кагелев В. Г., Дозорец Ю. И., Запрудин А, Г. // Международная научно-техническая конференция «Современная механизация работ при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных городов», г. Москва, 20 октября 2009 г. М.: ТАР, 2009. С. 34-45.

2. Методика статистического оценивания физико-технических свойств горных пород / Половов Б. Д., Волков М. Н., Зубков А. П., Романов Д. А. //Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды III Международной конференции, г. Екатеринбург, 19-21 мая 2010. Екатеринбург, 2010. С. 265 - 268.

3. Романов Д. А., Волков М. Н., Половов Б. Д. Оценка надежности бетонной обделки тоннелей // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды III Международной конференции, г. Екатеринбург, 19 - 21 мая 2010. Екатеринбург, 2010. С. 124 - 128.

4. Романов Д. А. К оценке нестабильности исходной информации при обосновании инженерных решений по освоению городских подземных пространств // Уральская горнопромышленная декада, 2011. Екатеринбург: Издательство УГГУ, 2011. С. 204 - 205.

5. Романов Д. А., Половов Б. Д. Определение прочностных и деформационных свойств грунтового массива в скважинах по результатам прессиометри-ческих испытаний // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам» (Уральская горнопромышленная декада), г. Екатеринбург, 16 - 25 апреля 2012 сборник докладов. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. С. 312,313.

6. Половов Б. Д., Гудилин А. В., Романов Д. А. Оценка состояния перегонного тоннеля под руслом р. Исеть в районе плотины городского пруда // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды III Международной конференции, г. Екатеринбург 21-22 мая 2013. Екатеринбург, 2013. С. 92 - 95.

Подписано в печать 20.10.2013 . Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № £>С, Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Романов, Дмитрий Александрович, Екатеринбург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Уральский государственный горный университет»

04201455173

описи

Романов Дмитрий Александрович

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение» (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д-р техн. наук, профессор, Половов Борис Дмитриевич

Екатеринбург-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.......................... 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗУЧЕННОСТИ МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ.................................................. 10

1.1. Краткий обзор методов получения исходной информации о состоянии вмещающих массивов.................................... 10

1.1.1. Геотехнические категории объекта строительства (ГКОС). Категории сложности инженерно-геологических условий.. 11

1.1.2. Краткая характеристика второй линии Екатеринбургского метрополитена......................................................... 19

1.1.3. Качественные характеристики инженерно-

^ геологических ситуаций....................................................... 27

^^ 1.1.4. Количественные методы и методики оценки

свойств грунтов и состояния вмещающего массива..................... 37

1.2. Методы статистической обработки результатов испы-

ф таний грунтов............................................................ ....... 43

1.2.1. Статистическая оценка числа испытаний.............. 43

1.2.2. Статистическое разделение вмещающих массивов

на условно-однородные участки - основные грунтовые единицы ... 48

1.2.3. Статистическая обработка результатов испытаний для оценки нормативных и расчетных значений характеристик грунтов............................................................................ 53

1.3. Анализ инженерно-геологических рисков.................. 55

1.4. Выводы по главе.................................................. 57

2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ГРУНТОВ И ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ ПО ТРАССАМ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕ-

• ЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ................................................... 60

2.1. Объемы выборочных испытаний.............................. 60

2.1.1. Проверка случайности исходной информации о

ф свойствах грунтов и грунтовых массивов................................. 61

2.1.2. Коррекция объемов выборочных испытаний в малых выборках.................................................................... 67

2.1.2.1. Вычисление статистик выборки.................... 67

2.1.2.2. Непараметрическая отбраковка ошибок......... 70

2.1.2.3. Непараметрическая оценка минимального объема выборки...................................................................... 70

2.1.2.4. Предварительная оценка закона выборочного распределения и достоверность использования гипотезы нормальности (Н0) для малых выборок............................................... 72

2.1.2.5. Тиражирование выборок............................. 83

2.2. Непараметрическая оценка плотности распределения выборочных испытаний свойств грунтов и грунтовых массивов .... 98

2.3. Непараметрическое разделение вмещающих массивов

на однородные расчетные геологические элементы (РГЭ)........................106

2.4. Систематические погрешности выборочных испытаний 115

2.5. Выводы по главе......................................................122

3. ПРЕССИОМЕТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ..........................................128

3.1. Общие сведения......................................................................................................128

3.2. Классификация прессиометрических методов..........................130

3.3. Требования к прессиометрическим зондам..................................133

3.4. Методика прессиометрических испытаний..................................133

3.5. Теоретические положения, используемые при обработке данных прессиометрических испытаний..............................................................137

^^ 3.6. Особенности прессиометрических испытаний трещиноватых скальных грунтов..............................................................................................................154

3.7. Выводы по главе....................................................................................................159

ф 4. РЕАЛИЗАЦИЯ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИН-

ЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВМЕЩАЮЩИХ МАССИВОВ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ ЕКАТЕРИНБУРГСКОГО

И ЧЕЛЯБИНСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНОВ................................................................163

4.1. Критерии выбора решений............................................................................163

4.2. Инженерно-геологические риски при строительстве перегонных тоннелей..........................................................................................................................169

4.3. К обоснованию инженерных решений по строительству перегонных тоннелей в условиях высокой нестабильности вмещающих грунтов 172

4.3.1. Обоснование стратегии строительства перегонных

__тоннелей....................................................................................................................................................172

W 4.3.2. Обоснование тактических и локальных технических решений 176

4.4. Выводы по главе.......................................................201

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................206

М БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ......................................................208

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нормативы и правила инженерных изысканий, стандартные методы испытаний и статистического оценивания грунтов, описанные в специальной, научной и учебной литературе, отражают высокую степень изученности проблемы получения исходной инженерно-геологической информации. Между тем выполнение требований действующих нормативных документов в части установления категории инженерно-геологических условий и объема изысканий, методов определения свойств грунтов и статистического оценивания результатов выборочных испытаний не исключает возникновение аварийности и осложнений горностроительных работ. Об этом убедительно свидетельствует накопленный опыт строительства перегонных тоннелей Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов.

Несовершенство действующих нормативных документов объясняется тем, что теоретическую базу статистического оценивания грунтовых массивов и свойств грунтов составляют нормальный и логнормальный законы распределения, реализующие выборочные испытания. Такой подход не гарантирует истинность получаемых результатов и не отвечает современной прикладной статистике, основной составляющей которой являются непараметрические методы статистического оценивания. Последние обладают несомненными достоинствами: высокой эффективностью, независимостью от вида распределений, надежностью для малых (объемами от 5 до 30 вариант) выборок. В целях инженерно-геологической схематизации грунтовых массивов, эффективная непараметрическая проверка гипотез может быть выполнена в полностью автоматизированном режиме. Таким образом, тема диссертации, направленная на коррекцию и совершенствование инженерно-геологического анализа вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики свыходом на

количественные оценки инженерно-геологических рисков, является весьма актуальной.

Объект исследований - перегонные тоннели метрополитенов гг. Екатеринбурга и Челябинска

Основные задачи диссертации:

1 - разработка методов повышения надежности информации по малым объемам выборок;

2 - исследование эффективности методов непараметрической статистики для оценки вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов и свойств грунтов, формирование комплекса из эффективных непараметрических методов, повышающих надежность инженерно-геологического анализа;

3 - совершенствование методов оценки инженерно-геологической рисков, сопровождающих проектирование и строительство перегонных тоннелей;

4 - обоснование стратегических, тактических и локальных схем строительства перегонных тоннелей (на примерах Екатеринбургского и Челя-

бинского метрополитенов) в условиях высокой нестабильности вмещающих массивов.

Защищаемые научные положения:

2. Определение механических характеристик грунтовых массивов по данным скважинной прессиометрии следует выполнять дифференциальным методом по схеме, позволяющей повысить точность и оперативность получаемой информации: сглаживание экспериментальных точек прессиометрической кривой «смещения - давление» кубичным полиномом - вычисление производных смещений по давлению в сглаженных точках - вычисление и линеаризация отношения сглаженных смещений и производной смещений - нахождение механических характеристик методом наименьших квадратов - тиражирование парной выборки - ранговая корреляция - определение .статистик по протиражированной информации.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: экспериментальными исследованиями; вероятностно-статистическим анализом с использованием современных методов

прикладной статистики; тиражированием малых выборок, сопоставлением с результатами инженерно-геологических исследований прошлых лет; реализацией в проектах строительства перегонных тоннелей.

Научная новизна результатов исследований:

3. Доказана эффективность тиражирования (методы «Bootstrep» и «Jacknife») малых выборок, полученных по результатам испытаний свойств грунтовых массивов и грунтов, включающего предлагаемую процедуру генерации результатов выборочных испытаний рядами Грамма-Шарлье и Эджвуорта.

ческого оценивания, а также имитационных моделей стратегических, тактических, локальных проектных и управленческих решений по проектированию и строительству перегонных тоннелей метрополитенов в условиях высокой нестабильности вмещающих массивов.

Реализация результатов работы. Материалы исследования использовались при проектировании и строительстве пускового участка первой линии Челябинского метрополитена (МУП «Челябметротрансстрой») и могут быть переданы проектным и производственным организациям Екатеринбурга и Челябинска ОАО «Уралгипротранс» и ОАО «Челябинскдор-транспроект», ЕМУП «УЗПС МЕТРО», ООО «Метрострой - ПТС» (г. Екатеринбург), МУП «Челябметротрансстрой», ООО «Спецподземстрой» (г. Екатеринбург). Пакет прикладных программ будет использоваться в учебном процессе.

Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на семинарах Уральского отделения Тоннельной ассоциации России (2010, 2011, 2012 гг., г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГГУ (2009, 2010, 2011 гг., г. Екатеринбург), Международных конференциях «Современная механизация работ при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных городов» (2009 г., г. Москва), Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений (2010, 2013 гг., г. Екатеринбург), Уральской горнопромышленной декаде (2009, 2010, 2012,2013 гг., г. Екатеринбург).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в девяти работах, в т. ч. в трех работах в изданиях, внесенных в список ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация включает общую характеристику работы, четыре главы, заключение, библиографический указатель из 112 наименований. Объем диссертации - 216 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Times New Roman»), 71 таблиц, 75 рисунков, библиографический указатель из 112 источников.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗУЧЕННОСТИ МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Краткий обзор методов получения исходной информации о состоянии вмещающих массивов

Необходимая исходная информация о вмещающих массивах и характеристиках горных пород (в дальнейшем грунтов*) вследствие разнообразия горнотехнических объектов по отраслевой принадлежности, назначению, объемно-планировочным, конструктивно-технологическим решениям и условиям размещения в подземном пространстве и др. нормируется в многочисленных нормативных документах. В действующих стандартах, сводах правил, инструкциях и т. п. документах по оценке состояния подземных объектов [18, 48, 83, 85 - 88, 90] состав и характер получения исходной информации нормируются по стадиям разработки проектной документации, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Акцент в настоящей работе в соответствии с тематикой диссертации сделан на изучении стадий разработки проекта (этапы: технико-экономическое обоснование, ТЭО; технический проект, ТП; рабочая документация, РД) и строительства метрополитенов [87].

Нормативные документы и специальные методики, регламентирующие инженерно-геологическую оценку вмещающего массива и физических свойств грунтов перегонных тоннелей метрополитенов, целесообразно подразделить на три группы:

* Грунт (по ГОСТ 3 50544-93) - любая горная порода, залегающая преимущественно в пределах выветривания и являющаяся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

1 - определение «Геотехнических категорий объекта строительства (ГКОС)» и «Категорий сложности инженерно-геологических условий», проектируемых объектов;

2 - качественные оценки инженерно-геологических ситуаций;

3 - количественные методы и методики оценки свойств грунтов и состояния вмещающего массива.

1.1.1. Геотехнические категории объекта строительства (ГКОС).

Категории сложности инженерно-геологических условий

Понятие «Геотехническая категория объекта строительства*» совмещает «в едином подходе к проектированию и строительству сложности и ответственности объекта строительства и сложности инженерно-геологических условий площадки строительства» (ГКОС) [32].

В СНиП 11-02-96, СП 11-05-97, ВСН 190-78 [85, 87, 18] установлены положения, необходимые для реализации принципов ГКОС, в т. ч. приведена таблица (табл. 1.1), характеризующая три категории сложности инженерно-геологических условий: простые, средней сложности, сложные.

В работе [32] указываются недостатки этой таблицы применительно к построению ГКОС:

- категории сложности инженерно-геологических условий определяют только сложность изучения исследуемой территории и необходимость выполнения изыскательских работ различного состава;

- табл. 1.1 не содержит количественных показателей, которые могли бы использоваться при проектировании.

Это понятие введено в «Еврокоде 7» 1997 г., разработанным представителями 11-и европейских стран.

Т�

Информация о работе

Романов, Дмитрий Александрович
кандидата технических наук
Екатеринбург, 2013
ВАК 25.00.08

Диссертация

Инженерно-геологический анализ вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы