Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методология прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения с учетом этапов строительства

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

Автореферат диссертации по теме "Методология прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения с учетом этапов строительства"

9 15-5/545

На правах рукописи

ДЕМЕНКОВ Петр Алексеевич

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ЭТАПОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Протосеня Анатолий Григорьевич

Официальные оппоненты:

Корнилков Михаил Викторович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», кафедра «Шахтное строительство», заведующий кафедрой

Панкратенко Александр Никитович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт», профессор

Саммаль Андрей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Механика материалов», профессор

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I».

Защита диссертации состоится 27 ноября 2015 г. в 13 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 29 июля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ 2..... СИДОРОВ

диссертационного совета / Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Условия строительства станций метрополитена характеризуются множеством взаимосвязанных природных, техногенных и антропогенных факторов, отражающих специфику требований к способам и технологиям их строительства. При проектировании и строительстве вмещающий массив, технология строительства и станция должны рассматриваться как элементы динамической природно-технической геосистемы.

Важнейшие направления стратегии развития строительства станций метрополитена - исследования геомеханических процессов в системе «массив - технология строительства - станция», свойств вмещающего массива, выбор рациональных конструкций крепи и обделок, методологии геомониторинга для контроля состояния элементов станции на всех этапах их строительства и эксплуатации.

Большой вклад в разработку методов расчета нагрузок и исследования процессов деформирования грунтовых массивов вокруг подземных сооружений внесли Ю.Н. Айвазов, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, Н.И. Ваучский, Б.А. Картозия, М.В. Корнилков, A.B. Корчак,

A.Г. Протосеня, A.C. Саммаль, Г.А. Скобенников, П.В. Степанов, Б.И. Федунец, H.H. Фотиева, М.Н. Шуплик и др., а станций метрополитена и выработок большого поперечного сечения К.П. Безродный,

B.А. Гарбер, Д.М. Голицинский, В.Н. Кавказский, А.Н. Коньков, Н.И. Кулагин, М.О. Лебедев, А.П. Ледяев, В.Е. Меркин, А.Н. Панкратенко, Ю.С. Фролов и др.

Натурные исследования свидетельствуют о существенном влиянии, как технологии строительства (последовательность проходки тоннелей, постепенное раскрытие сечения тоннелей, подвига-ние забоя и т.д.), так и условий контакта обделки с грунтовым массивом на величину и характер распределения нагрузок по обделке станций метрополитена глубокого заложения.

Существующие методы расчета конструкций станций метрополитена глубокого заложения, как правило, основаны на схеме заданных нагрузок, не учитывают сложную объемно-планировочную схему станций и основные этапы технологии их строительства, а также дру-

гие условия и факторы, оказывающие значительное влияние на развитие геомеханических процессов и напряженное состояние и, в связи с этим, не в полной мере отражают особенности их работы.

Расчет сложных конструкции станций в виде стержневой системы на основе строительной механики требует использования значительных допущений, что является серьезной проблемой особенно при разработке принципиально новых конструкций, технологических решений и типов станций ввиду невозможности достоверной оценки величины влияния вносимых изменений в существующую расчетную схему. Для разработки адекватной расчетной схемы, при таком подходе, необходимо строительство станции метрополитена с большими запасами прочности, с дальнейшим проведением натурных исследований на ней, что требует значительных затрат материальных ресурсов при строительстве и времени для разработки рациональной конструкции. Дальнейшее совершенствование станций будет проводится последовательно, длительное время с постепенной корректировкой расчетной схемы и конструкций в соответствии с полученными результатами на вновь построенных станциях. Перечисленные выше проблемы, помимо прочего, привели к тому, что за последние десятилетия проектировщики и конструкторы не разработали новых типов станций глубокого заложения или принципиально новых конструктивных решений.

В связи с этим разработка методологии расчета напряженно-деформированного состояния станции метрополитена на основе открытой динамической геосистемы «массив - технология строительства - станция» с учетом конструктивных особенностей станций и этапов их сооружения, влияющих на протекание геомеханических процессов для обоснования рациональных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, позволяющей на базе созданных численных моделей проводить проектирование станций на новом уровне и в процессе их расчета вносить конструктивные и технологические изменения в модель методом последовательных приближений и получить полную и объемную картину как напряженно-деформированного состояния конструкций станций так и мульды оседания поверхности является актуальной.

Цель работы. Геомеханическое обеспечение проектирования рациональных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, обеспечивающих безопасную и эффективную эксплуатацию станций метрополитена глубокого заложения.

Идея работы. Прогнозирование напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена учитывает их сложную пространственную геометрию, этапы строительства и базируется на открытой динамической геосистеме «массив - технология строительства — станция», позволяющей в процессе расчета и проектирования вносить конструктивные и технологические изменения в модель методом последовательных приближений.

Основные задачи исследований:

- разработка методологии прогнозирования геомеханических процессов при строительстве станций метрополитена глубокого заложения;

- проведение и анализ натурных исследований напряженно-деформированного состояния несущих элементов станций метрополитена глубокого заложения;

- разработка геомеханических моделей и расчетных схем взаимодействия массива и обделки станций метрополитена глубокого заложения;

- разработка объемных численных моделей расчета конструкций станций метрополитена, учитывающих конструктивные и технологические особенности строительства станций;

- разработка методики геомеханического прогноза напряженно-деформированного состояния станций на основе численного моделирования;

- сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований, выявление закономерностей и особенностей формирования напряженно-деформированного состояния станций в процессе их строительства;

- разработка новых конструктивных и технологических решений станций глубокого заложения.

Практическая значимость работы:

- разработана методика прогноза напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения, основанная на пространственном взаимодействии системы «обделка-грунтовый массив» и учитывающая этапы строительства;

- предложены новые конструктивные и технологические решения, обеспечивающие уменьшение материалоемкости, трудоемкости и продолжительности строительства станций метрополитена;

- обоснованы рациональные параметры несущих конструкций пилонных и колонных станций метрополитена.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались численные методы расчета напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена, натурные наблюдения за формированием напряженного состояния в них, сопоставление результатов численного моделирования с натурными наблюдениями, системный подход.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- разработана методология прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения с учетом этапов строительства;

- выявлены закономерности формирования пространственного распределения контактных давлений на внешних поверхностях обделок станций различных типов метрополитена глубокого заложения от основных этапов их строительства (последовательность проходки тоннелей, постепенное раскрытие сечения тоннелей, подвига-ние забоя и т.д.) с учетом конструктивных особенностей (размеры проемов, размеры колонн и пилонов, материалов конструкций);

- установлены закономерности формирования пространственного напряженно-деформированного состояния несущих конструкций колонной станций при изменении параметров конструкций и замене материала.

Основные защищаемые положения:

1. Методология прогнозирования пространственного формирования напряженно-деформированного состояния конструкций при

строительстве станций метрополитена глубокого заложения базируется на использовании открытой динамической системы «массив -технология строительства - станция» и контактном взаимодействии грунтового массива и обделки с применением пространственных численных моделей и учетом взаимного влияния среднего и боковых станционных тоннелей на различных этапах их строительства, видов временной крепи лба забоя.

2. Геомеханическое обоснование параметров пилонных и колонных станций основывается на пространственном представлении их конструктивных элементов и особенностях строительства станций; в пилонной станции раскрытие сечения каждого тоннеля моделируется в два этапа, при последовательном их строительстве; поочередном устройстве проемов; в колонной и пилонной станциях боковые тоннели проходятся способом пилот-тоннеля, а средний - уступами, как и в односводчатой станции; во всех случаях учитывается постепенное подвигание забоя.

3. Обоснование рациональных и геомеханически безопасных конструкций станций нужно выполнять на разработанных базовых объемных численных моделях расчета конструкций станций метрополитена, учитывающих конструктивные и технологические особенности строительства станций и позволяющих в процессе расчетов и проектирования вносить конструктивные и технологические изменения в модель с получением напряженно-деформированного состояния конструкций станций на всех этапах строительства.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается натурными исследованиями работы станций различных типов метрополитена глубокого заложения, использованием современных методов геомеханики, численных экспериментов, статистических методов обработки данных с применением ЭВМ, сопоставимостью результатов расчетов с натурными данными.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях и выставках: Межрегиональной конференции «Освоение подземного пространства в городской застройке. Проектирование и строительство».

ОАО "ЛЕННИИПРОЕКТ", Санкт-Петербург, 2007; Межрегиональной конференции «Обеспечение безопасности при использовании современных технологий строительства подземных сооружений в сложных условиях городской застройки». ОАО "ЛЕННИИПРОЕКТ", Санкт-Петербург, 2008; Международной конференции «Berg- und Hüttenmännischer Tag», Германия, Фрайберг, 2008 г; Международной конференции "LA INGENIERIA Y TECNOLOGIAS RUSAS: PERSPECTIVAS DE DESARROLLO" («Российские технологии и инженерное дело: перспективные проекты»), Чили, Сантьяго, 2010 г; IX международной конференции «Школа геомеханики - 2009» Польша, Гливице-Устронь, 2009 г; Международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования», Санкт-Петербург, Горный институт, 2009 г; XVI Московский международный салон изобретений и инновационных технологий «Архимед-2013», Москва, 2013 г; Международная выставка изобретений «Seoul International Invention Fair 2013», Корея, Сеул, 2013 г; Международная научная школа академика К.Н. Трубецкого (Институт проблем комплексного освоения недр) «Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр», Москва, 2014 г., а также обсуждались на заседаниях научно-технического совета по работе с докторантами Национального минерально-сырьевого университета «Горный», на заседаниях кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений и получили одобрение.

Личный вклад автора заключается в: постановке задач исследований, участии в проведении натурных наблюдений, обработке и анализе полученных данных, создании базовых конечно-элементных моделей станций метрополитена, численных экспериментах и анализе полученных результатов, в разработке методики прогноза напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения, разработке методологии численного моделирования открытой пространственной динамической геосистемы «массив - технология строительства - станция» сопоставлении результатов численных экспериментов с данными натурных наблюдений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 16 статей.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 304 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 196 наименований и 3 приложений. Включает 219 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Методология прогнозирования пространственного формирования напряженно-деформированного состояния конструкций при строительстве станций метрополитена глубокого заложения базируется на использовании открытой динамической системы «массив - технология строительства - станция» и контактном взаимодействии грунтового массива и обделки с применением пространственных численных моделей и учетом взаимного влияния среднего и боковых станционных тоннелей на различных этапах их строительства, видов временной крепи лба забоя.

С современных позиций геомеханики и геотехнологии массив, технология строительства и станция рассматриваются как подсистемы открытой динамической геосистемы (рисунок 1). Система «массив -технология строительства - станция» отображает взаимодействие факторов и их сочетаний, влияющих на эффективность строительства и эксплуатацию станций метрополитена.

Подсистема «Грунтовый массив» формирует исходную информацию о параметрах вмещающего массива, что определяет требования к технологии строительства станции. Подсистема «Станция метрополитена» содержит характеристики функционального назначения объекта и, в свою очередь, формулирует требования к характеристикам вмещающего массива. Подсистема «Технология строительства» содержит технологические решения, удовлетворяющие требованиям подсистем «Грунтовый массив» и «Станция метрополитена».

Подсистема «Подготовка и воздействие на грунтовый массив» изменяет характеристики естественного поля напряжений и содержит технологические решения, удовлетворяющие требованиям подсистем «Грунтовый массив» и «Технология строительства».

Рисунок 1 - Схема динамической системы «массив - технология строительства -

станция»

Прямые и обратные связи подсистем составляют единую систему «массив - станция». Прямая связь 1 выражает управление человеком строительством станции. Обратная связь 2 отражает реакцию станции на применяемую технологию строительства. Прямая связь 3 отражает влияние, в основном, при эксплуатации станции на вмещающий массив, строения на поверхности, коммуникации, а их реакцию -обратная связь 4. Прямая связь 5 - управляющее воздействие на вмещающий массив через технологию строительства при отсутствии необходимости улучшения условий строительства (отсутствие подсистемы «Подготовка и воздействие на грунтовый массив»). Обратные связи 6, 8, 10 - реакция грунтового массива, объектов на поверхности и коммуникаций, попадающих в зону влияния строительства станций метрополитена, на технологию его строительства. Прямые связи 1,9 -управляющее воздействие на вмещающий массив через технологию строительства.

Прямые и обратные взаимосвязи подсистем системы «массив

- станция» являются базой для обоснования технологических решений строительства станций метрополитена. Применение различных методов подготовки и способов воздействия на грунтовый массив формируют обратные связи, в разной степени минимизирующих реакцию системы «массив - технология строительства - станция» на природные, техногенные и антропогенные воздействия.

Суть управления системой «массив - станция» заключается в поддержании её в устойчивом (эксплуатационном) состоянии, минимизируя негативное взаимовоздействие составляющих её подсистем.

Система «массив - станция» ориентирует на вариантность стратегий строительства станций метрополитена, формируемых из типовых модулей (тактик). Типовые модули представляют методы подготовки и способы воздействия на массив, технологии, технические и технологические решения строительства станций метрополитена в различных горно-геологических условиях.

Тогда проектирование системы заключается в поиске оптимального сочетания возможных вариантов поведения подсистем, при котором минимизируются их негативные воздействия друг на друга.

К наклонному Направление проходки

ходу Опытный участок №3 Опытный участок №2 4 среднего тоннеля

Колонны , 15188

Колонны: К-» К-5 К-6 К-7 К-8 ЛМ2К-13

/Опытный участок №!

-1ИДЦ.

Рисунок 2 - План станции и размещение опытных участков на станции «Комендантский проспект»

Из рассматриваемой системы «массив - технология строительства - станция» наибольшее влияние на формирование НДС станций оказывает технология их строительства. Это подтверждается натурными исследованиями, проведенными как совместно с ОАО «Ленмет-рогипротранс», так и лабораторией ЦНИИС на станциях различных типов.

В качестве примера можно привести результаты исследования, проведенного на колонной станции «Комендантский проспект» (рисунок 2).

На графике развития напряжений во времени в стальных колоннах (рисунок 3) можно выделить несколько наиболее значимых этапов строительства среднего тоннеля станции:

- разработка калотты - происходит активный рост напряжений с незначительным их снижением в момент нахождения забоя на исследуемом колонно-прогонном комплексе;

- разработка ядра среднего тоннеля - наблюдается скачок напряжений (105 сут);

- разборка тюбингов временного заполнения также приводит к резкому увеличению нагрузки на колонны (125 сут);

- разработка обратного свода - влияние на формирование НДС (снижение напряжений) становится заметным на расстоянии 3-3,5 м до исследуемого участка и прекращается сразу после его прохождения (137 сут).

110

90

03

| 70

ОС

X

I 50

ж

к

&

| 30

10

-10

Продолжительность наблюдений, суг. -х-ЛКПК -о-ПКПК

Рисунок 3 - График развития напряжений в стальных колоннах левого (ЛКПК) и правого (ПКПК) колонно-прогонных комплексов

Численное моделирование станций различных типов также подтверждает результаты натурных исследований. Даже в простой с

Рисунок 4 - Фрагмент численной модели на четвертом этапе строительства односводчатой станции, Па О -5 -10

се

§ ~15

1 ~20 V

| "25 О.

-30 -35 -40 -45

-6 этап -25 этап

Расстояние, м -10 этап -О—15 этап

■30 Этап

-34 Этап

-20 Этап -37 этап

Рисунок 6 - Распределение сжимающих напряжений в обделке станции пилонного типа (средний станционный тоннель, на

участке проема)

Рисунок 9 - Картина распределения сжимающих напряжений в несущих конструкциях пилонной станции

в, Мл Рппара!

вРСв. (ЬмОоп = 1.0)

(А.» 75%)

- «О.ОООгКЮ

- -23Т0е«Я

- -4.740гЮЗ

- -7.1Юс+03

-9.480г>03

- -1.18!гЧМ

- -1.422е+04

- -1 659<гИМ

- -2.133гКМ

- -2Д70е-КМ

- -2 607с-(И -2.844е+(М

Рисунок 13 - Распределение сжимающих напряжений по внешней поверхности обделки, кПа

Рисунок 14 - Модель колонной станции закрытого типа с новыми конструктивными решениями

типовая блочная обделка приставка

шарнир

фигурный металлический тюбинг

железобетонная

СГРПII

шарнир

в, М1п. Рг*(ЮРв1 БМК;, (Л-асИоп * -1.0) вРОв, (¡гасвоп - 1.0) (Луд: 75%)

+0.000е+00 -2.84Эе+0б -5.686е+06 •в.529е+06 -1.137е+07 -1.421е+07 •1.706е+07 -1.990е+07 -2.274е+07 -2.559е+07 -2 843е+07 -3.127е+07 -3.412е+07

Рисунок 15 - Объемно-планировочное решение подземного многофункционального комплекса с пересадочным узлом метрополитена глубокого заложения на три линии (а) и картина распределения сжимающих напряжений в несущей

оболочке после раскрытия проемов (б)

точки зрения конструктивного исполнения односводчатой станции наблюдается значительное влияние технологии строительства на формирование НДС обделки.

Рассмотрим результаты моделирования односводчатой станции с учетом (модель 1) и без учета этапности строительства (модель 2).

В модели 1 были учтены следующие основные этапы строительства:

- первый этап - проходка боковых тоннелей диаметром 5,5 м;

- второй этап - бетонирование боковых опор для верхнего

свода;

- третий этап - пошаговая разработка калотты заходками по

1 м;

- четвертый этап - пошаговая (заходками по 1 м) разработка лотка с возведением обделки обратного свода с отставанием 1 м (рисунок 4).

При возведении обделки верхнего свода на третьем этапе происходит активный рост в ней сжимающих напряжений до момента начала разработки обратного свода. Далее напряжения уменьшаются, причем на внутреннем контуре почти в два раза, а на наружном изменения менее значительны и в дальнейшем достигают первоначального максимума. Влияние забоя обратного свода на расстоянии большем 7 м до измеряемого элемента практически не наблюдается. Наиболее сжатой оказывается наружная поверхность обделки верхнего свода.

Численное моделирование без учета последовательности строительства станции может дать недостоверную информацию о напряженном состоянии конструкций. Так, например, максимальные сжимающие напряжения в верхнем своде возникают не в конце строительства, а на промежуточном этапе, до начала разработки обратного свода.

В момент начала разработки обратного свода происходит рост сжимающих напряжений по его наружному контуру. На внутреннем же контуре в течение всего периода строительства станции преобладают растягивающие напряжения. На расстоянии 2,5 м лба забоя обратного свода от исследуемого элемента сжимающие напряжения по наружному контуру достигают максимальной

величины. При удалении забоя на 4 м - происходит их резкое снижение.

Учет технологии строительства оказал влияние на величину, как напряжений, так и деформаций в целом. Смещения обделки в модели 1 по величине больше, чем в модели 2 примерно на 10%, а сжимающие напряжения наоборот меньше на 20%. Растягивающие напряжения, в среднем, в модели 2 примерно на 10% меньше, чем в модели 1.

Расчеты и натурные исследования подтверждают необходимость включения в систему «массив - станция» подсистему «технология строительства».

2. Геомеханическое обоснование параметров пилонных и колонных станций основывается на пространственном представлении их конструктивных элементов и особенностях строительства станций; в пиленной станции раскрытие сечения каждого тоннеля моделируется в два этапа, при последовательном их строительстве; поочередном устройстве проемов; в колонной и пиленной станциях боковые тоннели проходятся способом пилот-тоннеля, а средний - уступами, как и в односводчатой станции; во всех случаях учитывается постепенное подвигание забоя.

Методик прогноза напряженного состояния сложных пространственных конструкций, основанных на строгих аналитических решениях, не существует. Прогноз напряженного состояния конструкций станций с применением численных методов анализа позволяет реализовать принципы работы системы «массив - технология строительства - станция».

Структуру или поведение сложной системы можно представить несколькими моделями, имеющими одинаковое право на существование, так как ни в одной из них нельзя учесть все наиболее значимые факторы (множественность моделей). Модели будут отличаться степенью отражения реальной геосистемы. Понятия «точности» и «сложности» связаны обратной зависимостью (несоответствие точности и сложности).

С одной стороны, модель должна быть простой в математическом отношении, чтобы иметь возможность ее исследовать. С другой стороны, в результате упрощения она не должна утратить существо

реальной геосистемы. Модель должна иметь сложность, необходимую и достаточную для решения поставленной задачи (несовместимость «простоты» модели и точности решения задачи).

Наиболее простая форма идеализации рассматриваемой системы при выполнении численного моделирования строительства станций - решение задачи в плоско-деформационной постановке. К области применения численного моделирования в плоско-деформационной постановке можно отнести: протяженные транспортные и напорные тоннели, откосы, склоны, глубокие котлованы на протяженном участке и др. объекты, длина которых значительно превосходит их поперечные размеры. Однако, плоская расчетная схема не позволяет напрямую учесть подвигание забоя и отставание ввода крепи в работу.

Объемная модель позволяет отобразить в должной мере геометрические особенности системы «массив - технология строительства - станция», реализовать последовательность выполнения процессов в трех измерениях и учесть подвигание забоя.

Разработана методика прогноза напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения при взаимодействии ее с грунтовым массивом на основе численных методов расчета. В ней рассмотрены особенности моделирования различных видов временной крепи и постоянной обделки (сборной и монолитной). Показаны подходы к представлению в численной модели технологических этапов строительства станции. Предложены подходы к определению параметров временной крепи лба забоя тоннеля и сдерживающего влияния временной крепи лба забоя.

Даны рекомендации по выбору типов конечных элементов. Обделку тоннеля можно представить в виде сплошных элементов или структурных элементов (оболочки, балки). Моделирование обделки тоннеля сплошными элементами позволяет применять различные модели материала для описания ее поведения. Сложные пространственные обделки, например, тюбинги, практически невозможно корректно описать структурными элементами. Недостатком сплошных элементов является необходимость обеспечить правильное соотношение их поперечных размеров. С учетом того, что диаметр обделки достаточно

большой по сравнению с ее толщиной, для обеспечения нормального соотношения размеров, размер конечных элементов должен быть достаточно малым.

Толщина структурных элементов является внутренним параметром таких элементов и не зависит от ее геометрических размеров. Это позволяет значительно уменьшить размерность задачи и повысить качество конечно-элементной сетки в окрестности тоннеля. Еще одним преимуществом структурных элементов является возможность получения усилий (продольная сила, поперечная сила, изгибающий момент, крутящий момент) действующих в сечении обделки в явном виде, так как такая формулировка заложена непосредственно в сам элемент. Определение усилий, действующих в обделке моделируемой сплошными элементами также возможно, но потребует дополнительных вычислительных операций.

Даны рекомендации по созданию контактов между обделкой станции и грунтовым массивом, созданию конечно-элементной сетки и выбору геомеханических моделей. При расчете станций метрополитена глубокого заложения по схеме совместного взаимодействия необходимо задаться геомеханической моделью среды:

- в скальных и полускальных грунтах, не трещиноватых и не имеющих поверхностей ослабления в качестве модели среды рекомендуется использовать изотропную упругую модель;

- в средне литифицированных и высоко литифицированных осадочных грунтах в качестве модели среды рекомендуется использовать трансверсально изотропную модель или вязко упругую модель среды;

- в нормально уплотненных грунтах в качестве модели среды рекомендуется использовать упругопластические упрочняющиеся модели среды или упруго-вязко-пластические модели среды, которые учитывают особенности развития объемных деформаций и деформаций формоизменения;

- при расчете станций метрополитена глубокого заложения в трещиноватых скальных породах, плывунных зонах, при строительстве в зонах тектонически нарушенных грунтовых массивах и др.

сложных инженерно-геологических условиях геомеханические модели среды должны выбираться на основе дополнительных исследований или по рекомендациям научно-исследовательских организаций.

Представлен алгоритм совершенствования элементов конструкций станций, основанный на изменении параметров базовой модели.

Из всех типов станций метрополитена глубокого заложения, наиболее сложную геометрию конструкций имеют станции пилонного и колонного типов.

Рассмотрим картину формирования НДС пилонной станции с чугунной обделкой на основе пространственной численной модели с учетом основных технологических этапов ее строительства.

Сжимающие напряжения в обделке после раскрытия первого участка (3 этап) среднего станционного тоннеля на все сечение составляют: 16 МПа в сводах тоннеля. После разработки второго участка среднего станционного тоннеля сжимающие напряжения в обделке достигают значения 33 МПа. В боках среднего станционного тоннеля сжимающие напряжения изменяются в диапазоне 16-20 МПа. Последующая разработка тоннеля не значительно сказывается (5%) на увеличении сжимающих напряжений. При раскрытии первого участка бокового станционного тоннеля (17 этап) напряжения происходит незначительное перераспределение напряжений в обделке среднего станционного тоннеля. В обделке бокового тоннеля напряжения изменяются в диапазоне 10-18 МПа. После раскрытия его второго участка (18 этап), сжимающие напряжения увеличиваются на 4%. По мере разработки левого станционного тоннеля на полную длину, общая картина распределений напряжений в обделке не значительно меняется. Раскрытие правого станционного тоннеля на всю длину, позволяет несколько уменьшить (на 2%) напряжения в левом станционном тоннеле, в то время как картина сжимающих напряжений в правом тоннеле практически повторяет характер распределений в левом тоннеле. На 32 этапе производится раскрытие первого проема, что приводит к увеличению напряжений до 53 МПа. После раскрытия проема №4, сжимающие напряжения увеличиваются на 3%. После раскрытия проема №2 сжимающие напряжения увеличиваются на 7%, достигая величины 59 МПа. Последующее раскрытие проемов, практически не

оказывает влияние на величину сжимающих напряжений и лишь меняет характер и их величину на участках проемов.

Таким образом, можно отметить следующее. После строительства среднего станционного тоннеля на всю длину, уровень сжимающих напряжений в обделке достигает значения 35 МПа. Раскрытие двух боковых станционных тоннелей, увеличивает значение напряжений на 12%. После раскрытия проемов величина напряжений увеличивается еще на 17 МПа, и достигает 59 МПа. При этом необходимо заметить, что раскрытие проема в левом тоннеле оказывает не значительное влияние на величину напряжений в правом тоннеле, и наоборот (1-2 МПа). А раскрытие рядом расположенных проемов в рамках одного тоннеля увеличивает напряжения в обделке на 4-5 МПа.

5

■В боках тоннеля■

Этапы строительства

— В своде тоннеля * Участок раскрытия пилона

Рисунок 5 - Графики изменения сжимающих напряжений по мере строительства станции пилонного типа (средний станционный тоннель, на участке проема)

На участке проема среднего станционного тоннеля (рисунок 5 и рисунок 6) сжимающие напряжения изменяются следующим образом. В боках тоннеля начиная с 5 этапа напряжения возрастают. К 10

этапу значение напряжений достигает 8 МПа и вплоть до 22 шага остается неизменным. Раскрытие пилот тоннеля правого станционного тоннеля приводит к дальнейшему росту напряжений до величины 13 МПа. После раскрытия правого станционного тоннеля на полное сечение 27-31 этап, происходит рост напряжений до величины 20 МПа. Раскрытие проемов приводит к некоторой релаксации напряжений до величины 17 МПа.

В своде тоннеля до 12 этапа характер развития напряжений совпадает с тем, который получен в боках центрального станционного тоннеля. На этапах 12-31, кривые расходятся, а напряжения в своде к 13 этапу достигают 13 МПа, а к 17 этапу 20 МПа. В последующем вплоть до 27 этапа напряжения не возрастают. Затем на этапе 27 - 28 происходит падение напряжений до 7 МПа и они остаются такими вплоть до этапа, на котором производится раскрытие первого проема. К концу строительства напряжения в своде тоннеля достигают 17 МПа.

На участке раскрытия пилона наблюдается следующий характер изменения напряжений по мере строительства. Рост напряжений наблюдается на 5 - 6 этапах строительства пилонной станции. Напряжения к 6 этапу достигают 9 МПа. Далее вплоть до 27 этапа, на котором производится строительство правого станционного тоннеля, напряжения не меняются. К окончанию строительства правого станционного тоннеля напряжения в обделке рассматриваемого участка увеличиваются до 15 МПа. Далее производится раскрытие проемов, что приводит к резкому увеличению напряжений до 40 МПа.

Сопоставление результатов численного моделирования с результатами натурных исследований, проведенных лабораторией ЦНИИС на станции «Площадь Ленина» (взятую за прототип) показало расхождение не более 5%.

3. Обоснование рациональных и геомеханически безопасных конструкций станций нужно выполнять на разработанных базовых объемных численных моделях расчета конструкций станций метрополитена, учитывающих конструктивные и технологические особенности строительства станций и позволяющих в процессе расчетов и проектирования вносить конструктивные и тех-

нологические изменения в модель с получением напряженно-деформированного состояния конструкций станций на всех этапах строительства.

Вычислительная способность современных высокопроизводительных систем позволяет рассматривать сложные по объемно-планировочному решению конструкции станций метрополитена без значительных упрощений, с учетом этапов их строительства, а также продолжительности воздействия нагрузок. Учесть все технологические факторы невозможно. При анализе технологии строительства станции важно выделить наиболее ответственные этапы строительства, которые оказывают сильное влияние на формирование напряженно-деформированного состояния системы «массив - станция».

Структура оптимизации технологии строительства станций включает следующие технологические процессы: методы подготовки грунтового массива, способы воздействия на грунтовый массив, способы строительства станций метрополитена, варианты реализации способа строительства станций метрополитена (рисунок 7).

Рисунок 7 - Структура оптимизации технологии строительства станций

метрополитена

Конструктивное совершенствование станций метрополитена может выполняться по следующим направлениям: изменение формы, изменение размеров, замена материала, изменение конструктивной схемы (рисунок 8).

Изменение Изменение Замена Изменение конструк-

формы размеров материала тивной схемы

Рисунок 8 - Структура направлений совершенствования конструкций станций

метрополитена

Изменение формы позволяет исключить из работы слабо нагруженные участки несущего элемента, тем самым снизить его материалоёмкость. Геометрические параметры конструкции увязаны с величиной нагрузки и сопротивлением материала. Часть элементов конструкции станции недогружена и имеет избыточный запас прочности. В идеальной ситуации запас прочности конструкций станций должен быть одинаковым по всем элементам. Замена материала несущих конструкций станций должна быть ориентирована на снижение их металлоемкости. При возможности желательно заменять дорогостоящие стальные и чугунные элементы на монолитный и сборный железобетон.

На основе разработанной базовой модели пилонной станции были созданы численные модели с измененными размерами проемов и пилонов (таблица 2).

Таблица 2 - Параметры пилонов и проемов для оценки влияния данных факторов на напряжённое состояние несущих конструкций обделки пилонной станции

№ модели Ширина проема, м Размер пилона, м

1 3 8.35

2 4.5 8.35

3 6 8.35

4 3 6.35

5 4.5 6.35

6 6 6.35

7 3 4.35

8 4.5 4.35

9 6 4.35

Напряжения снимались на внутреннем и внешнем контурах конструкции, что позволило более полно представить характер формирования напряженного состояния в них и получить полную картину распределения напряжений в конструкциях (рисунок 9).

Оценивая полученные результаты в общем можно сделать вывод, что изменение размера пилона (расстояние между проемами) практически никак не сказывается на величинах напряжений в несущих конструкциях проема (стены проема и свод). Разница между напряжениями составляет до 10%. С учетом того, что модели сопоставлялись не на одинаковой конечно-элементной сетке, эта разница может быть вызвана не реальным отличием напряженного состояния в элементах конструкции, которые вызваны изменение размера пилона, а разницей в математическом представлении реального физического объекта. Таким образом, выбор размеров пилона (расстояние между проемами) в диапазоне от 4.35 до 6.35 м (рисунок 10) можно осуществлять на основе технологических, транспортных и объемно компоновочных требований, без учета геомеханической составляю-

Длина пилона: ...... 4.35 — — 6.35 8.35

Рисунок 10 - Сжимающие напряжения на внутреннем контуре в верхней части стены проема в зависимости от размера пилона

Ширина проема в значительной степени сказывается на величине напряжений в несущих конструкциях. Так изменение ширины проема с 3 до 6 м увеличивает напряжения от 1,1 до 2 раз в зависимости от рассматриваемого элемента. С другой стороны, для некоторых конструктивных элементов связь между шириной проема и величиной напряжений в них нелинейна. Наибольший рост напряжений наблюдается при увеличении ширины проема с 3 до 4.5 м и наименьший при увеличении ширины проема с 4.5 до 6 м. Отмеченная на ряде зависимостей тенденция к уменьшению величин напряжений при увеличении ширины проема с 4.5 до 6 м, связана с изменением особенностей работы несущих конструкций в данных условиях.

С учетом результатов напряженного состояния обделки на участке проема и результатами изменения напряженного состояния обделки вдоль трассы тоннеля на участке пилона (рисунок 11), а также задавшись размером тюбинга 0,75 м, можно сделать вывод, что зона его влияния составляет 1-2 тюбинга от края проема.

0

я С

к 5 Я <и £ к о. с я

ас

-5

-10

-15

-20

40

60

80

лоо

-25

Относительное расстояние между проемами в %

4500 (в боках)

— »6000 (в боках)

— — — 4500 (на уровне верха проема) •..... 6000 (на уровне верха проема)

Рисунок 11 - Напряжение в элементах обделки вдоль продольной оси тоннеля, расстояние между проемами 8,35 м (0% - начало пилона; 100% - окончание пилона)

Растягивающие напряжения в элементах конструкции станции пилонного типа формируются только на участках проема и частично в элементах обделки станционных тоннелей смежных к проемам. Максимальные сжимающие усилия (если исключить участки концентрации напряжений) формируются в элементах обделки станционных тоннелей в боках на внутреннем контуре.

Таким образом, изменение размера пилона не сказывается на количестве колец тюбингов, попадающих в зону влияния проема. А размеры проема, хотя и оказывают значительное влияние на напряженное состояние обделки станционных тоннелей, зона его влияния с увеличением проема растет не значительно.

На основе разработанной базовой модели колонной станции открытого типа были созданы численные модели с измененными параметрами колонно-прогонных комплексов.

Для выбора рациональных параметров колонно-прогонных комплексов было создано 16 моделей станции «Комендантский проспект», отличающихся шириной пролета от 3,03 м до 5,3 м и сечением стальных колонн. В двух моделях также изменялись, толщина листа стали и ширина верхнего ригеля.

Базовая модель соответствует станции с типовыми параметрами колонно-прогонных комплексов.

Наибольшие вертикальные напряжения ау, при наименьшем расходе материалов, наблюдаются в модели с длиной пролета 4,1 м (сечение колонны 0,6x0,6 м). Вертикальные напряжения оу в моделях с шириной верхнего ригеля 0,5 м и 0,4 м отличаются незначительно, однако, расход материалов в последней модели значительно меньше. Это говорит о целесообразности уменьшения ширины верхнего ригеля.

Модели с пролетами 4,55 м (модель 8) и 5,3 м (модель 16) обеспечивают наименьший расход материалов. Расчетное сопротивление по пределу текучести стали марки 09Г2С (С345) 335 МПа (СНиП П-23-81 «Стальные конструкции»). Это значительно больше максимальных напряжений, возникающих в колонне (153 МПа и 173 МПа - для моделей 8 и 16 соответственно), что позволяет говорить о возможности сооружения станций с шириной пролета не только 4,55 м, но и 5,3 м, без увеличения сечения колонны.

Расход стали для модели 8 сокращается на 36,3 т по сравнению с базовой моделью станции «Комендантский проспект» и на

53.4 т для станции «Проспект Просвещения». При этом количество колонн уменьшается на 6 шт. и на 10 шт. соответственно.

Для модели 16 расход стали сокращается на 63,6 т по сравнению с базовой моделью станции «Комендантский проспект» и на

93.5 т для станции «Проспект Просвещения». При этом количество колонн уменьшается на 10 шт. и на 16 шт. соответственно.

На основе разработанной базовой модели колонной станции без боковых платформ (закрытого типа) были созданы численные модели станции с различным радиусом верхнего свода среднего станционного тоннеля.

Задачей моделирования являлось выявление зависимости изменения напряженно-деформированного состояния обделки боковых и среднего тоннеля станции без боковых посадочных платформ от величины радиуса верхнего свода среднего станционного тоннеля.

Было рассмотрено пять конструктивных схем станций с различными радиусами верхнего свода среднего станционного тоннеля. В схемах, менялась только величина подъема свода, все остальные размеры и параметры станции оставались неизменными. Для удобства анализа результатов было введено следующее обозначение схем: схема А, радиус верхнего свода составляет 4960 мм; схема Б - 5044 мм; схема В - 5175 мм; схема Г - 5565 мм; схема Д - 5814 мм.

Физико-механические характеристики материалов несущих элементов станционных тоннелей и вмещающего массива, естественное напряженное состояние массива, размеры расчетных моделей и другие граничные условия задавались аналогично базовой конечно-элементной модели.

Анализ величин тангенциальных, радиальных напряжений, а также радиальных деформаций обделки выполнялся по внешней и внутренней поверхности обделки на участках посередине дверного проема и опорных чугунных колонн.

С увеличением радиуса свода зона максимальных напряжений верхнего свода среднего тоннеля перемещается в сторону бокового тоннеля. На участке с дверным проемом, с увеличением радиуса свода, в зоне контакта с боковым тоннелем, формируется ярко выраженная

зона действия растягивающих напряжений. Так для схемы Д величина растягивающих напряжений доходит до 400 кПа, а размер области -0,5 м. Основным отличием в характере распределения напряжений при различных схемах является зона сопряжения обделки бокового тоннеля со стенами-колоннами. Здесь, с увеличением радиуса свода, наблюдается уменьшение радиальных напряжений в обделке тоннеля с 900 до 200 кПа.

Зона концентрации сжимающих напряжений во внутренней части обделки напрямую зависит от радиуса свода. Если при схеме А область с максимальными напряжениями «отодвинута» от края сопряжения с боковым тоннелем на 1,5-2 м, то при схеме Д она находится непосредственно в месте стыка. Наряду с этим, численные значения напряжений увеличиваются. В шелыге свода происходит уменьшение величин напряжений, практически до нулевых, с переходом в зону растягивающих (для схемы Д - до 1 МПа).

Стоит отметить, что в схемах А и Б, радиус свода соответственно 4960 и 5044 мм), на участке с колонным комплексом радиальные напряжения располагаются в зоне сжимающих по всей области распределения. В других схемах образуется, хоть и малая по величине и распространению, зона растягивающих напряжений в местах стыка обделок тоннелей.

По моделям с измененными радиусами верхних сводов колонной станции закрытого типа можно сделать следующие выводы:

- изменение радиуса верхнего свода среднего станционного тоннеля не оказывает значительного влияния на характер распределения радиальных напряжений и деформаций в боковом и среднем станционных тоннелях. При всех рассмотренных схемах, разница находится в пределе 5-10 %;

- увеличение радиуса (уменьшение величины подъема) верхнего свода среднего тоннеля приводит к увеличению концентрации тангенциальных напряжений в местах стыка обделок станционных тоннелей и образованию зон растягивающих напряжений в сводовой части на внешней поверхности обделок, что может привести к растрескиванию и ее дальнейшему разрушению;

- наиболее нагруженными, являются элементы обделки, установленные в боковых тоннелях в местах стыка со стенами-колоннами.

Для снижения металлоемкости колонной станции без боковых платформ (закрытого типа) в диссертационной работе представлены численные модели станции с чугунными и железобетонными стенами-колоннами.

При моделировании рассматривалось два варианта исполнения колонно-прогонного комплекса. Первый (базовый) - выполненный из чугунных тюбингов (толщина Ь, условно, была принята 100 мм), второй - из монолитного железобетона толщиной b = 200 мм. Во второй модели, для исключения передачи изгибающего момента с обделки на железобетонный колонно-прогонный комплекс, в местах опирания обделки, были предусмотрены узлы, обеспечивающие шар-нирность.

Последовательность строительства станции моделировалась следующим образом. На первом этапе производилась выемка грунта из сечения левого бокового станционного тоннеля и возводилась обделка. На втором - установка колонно-прогонного комплекса в левом тоннеле. На третьем и четвертом этапе выполнялись аналогичные работы в правом станционном тоннеле. На пятом этапе вынимался грунт из верхней части среднего станционного тоннеля и устраивалась обделка верхнего свода. На шестом - разработка грунта и возведение обделки в нижней части среднего тоннеля. На седьмом и восьмом этапе -демонтаж тюбингов временного заполнения, соответственно, левого и правого боковых тоннелей.

Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния станции для варианта со стенами-колоннами из чугуна.

Концентрация растягивающих напряжений наблюдается в лотковой части боковых тоннелей (7-8 МПа), в других элементах обделки тоннелей они практически равны нулю. В сечении посередине проема образуется незначительная зона растягивающих напряжений в сводовой части опирания обделки на стены-колонны, здесь их величина достигает 2,5-3 МПа.

Для сжатия характерными являются три участка: сопряжение обделки нижнего свода среднего с обделкой бокового тоннеля, бока

27

боковых тоннелей и сопряжение обделки бокового с обделкой верхнего свода среднего тоннеля. На первом и третьем участке происходит резкий скачок напряжений от нулевых значений до 22-27 МПа и 810 МПа, соответственно, далее они также резко падают до нулевых. В боковом тоннеле напряжения возрастают более плавно, начиная от лотковой части и достигая максимума в боку тоннеля (13-14 МПа).

Распределение растягивающих и сжимающих напряжений по внешнему контуру обделки станции посередине проема показано на

рисунке 12.

10000

5000

0

я

- -5000 к я

X

о» §

10000

а я X

-15000 -20000

Расстояние, м

шгжшй свод I среднего тоннеля

боковоП тоннель

верхний свод среднего тоннеля

Рисунок 12 - Распределение напряжений по внешнему контуру обделки станции посередине проема: 1 - растягивающие напряжения; 2 - сжимающие напряжения

В нижнем стыке обделок среднего и бокового тоннеля величина напряжений достигает максимальных значений, порядка 1316 МПа. В верхнем стыке и боку тоннеля, концентрация напряжений менее значительна и составляет 2-3 МПа. По характеру распределения напряжений в сечениях посередине колонного комплекса и проема

значительного отличия не наблюдается. Такая же закономерность характерна и для сжимающих напряжений. Пики напряжений также наблюдаются в зонах контакта обделок. Однако, их величина в нижней и верхней частях контакта соизмерима и составляет 15-17 МПа. В боковом тоннеле зона концентрации сжимающих напряжений смещена в сторону верхнего свода среднего станционного тоннеля и численно доходит до 9-10 МПа. В верхнем и нижнем своде среднего тоннеля распределение сжимающих напряжений носит равномерный характер. Величина напряжений колеблется в пределах 5-9 МПа.

Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния обделки для варианта со стенами-колоннами из монолитного железобетона (рисунок 13).

Как видно, характер распределения напряжений в обделке аналогичен описанному выше. Существуют некоторые отличия в численных значениях с разницей в пределах 5-10%. В связи с этим, можно сделать вывод, что на распределение напряжений непосредственно в обделке тоннелей наибольшее влияние оказывает технология строительства тоннелей, тогда как замена конструкционного материала ко-лонно-прогонного комплекса не приводит к видимому изменению напряженного состояния обделки.

Концентрация сжимающих горизонтальных напряжений наблюдается в верхней и нижней части проема железобетонного комплекса, здесь их величина составляет 2,7 МПа. Сжимающие напряжения формируются вокруг вертикальных стенок проема с наибольшими значениями (до 27 МПа) в нижних углах проема. Растягивающие вертикальные напряжения преобладают в верхней части посередине проема (около 8 МПа), в нижней части их значение уменьшается до 4,5 МПа. Максимальные величины сжимающих напряжений (6,2 МПа) характерны для верхних и нижних углов проема.

Максимальная величина сжимающих напряжений наблюдается вокруг стен проема с наибольшими значениями в нижних его углах. Растягивающие вертикальные напряжения преобладают в верхней и нижней перемычке проема. Точные значения растягивающих и сжимающих напряжений оценить в данной модели невозможно в связи со значительным упрощением геометрии разделительной

стенки, однако, можно сказать, что их максимальные величины не превышают прочностные характеристики бетона. Таким образом, можно сделать вывод, что возможна замена чугунных разделительных стен железобетонными.

Разработаны новые конструктивные решения колонной станции без боковых платформ (рисунок 14). Предложенная новая конструкция с фигурного металлического тюбинга, вписывающегося в габарит тоннеля, что дает возможность использования высокопроизводительного щитового механизированного перегонного комплекса с дуговым крепеукладчиком. Применение верхнего и нижнего прогонов из железобетона обеспечивает независимость шага проемов и их ширины от ширины колец обделки, что позволяет использовать типовые железобетонные блоки (шириной 1 м) с разжатием кольца на породу гидродомкратом вместо нетиповых тюбингов (шириной 0,768 м). Отсутствие на внешней стороне фигурного тюбинга опорного выступа, выходящего за наружный контур кольцевой обделки, позволяет применить эффективную поточно-сквозную организацию строительства линий метрополитена. Использование монолитного железобетона при возведении прогонов и стен-колонн резко снижает стоимость и трудоемкость работ по сравнению с типовыми чугунными стенами-колоннами и чугунными перемычками в проемах. Обоснование возможности замены материалов было показано ранее. Шарнирное соединение стенок - колонн с опорными фигурными тюбингами позволяет избежать внецентренных нагрузок на колонны и сократить расход материала. Все это позволяет резко снизить трудоемкость работ, повысить скорость проходки и улучшить геомеханическую обстановку по сравнению с типовой колонной станцией без боковых платформ.

Самыми сложными элементами транспортной инфраструктуры города являются пересадочные узлы метрополитена. На линиях, сооружаемых закрытым способом, в отечественной и зарубежной практике они, как правило, состоят из отдельных станций, соединенных переходами с лестницами и эскалаторами. Такая схема пересадочного узла достаточно сложна для ориентирования пассажиров, требует больших затрат времени на пересадку, неудобна и неэффективно использует подземное пространство.

Для исключения описанных выше недостатков, предложено объединить в один объем многофункциональный подземный комплекс и пересадочный узел метрополитена глубокого заложения с различным количеством линий (рисунок 15). Для обеспечения связи метрополитена с поверхностью предусматривается несколько лифтовых шахт. Могут использоваться двухуровневые лифты для одновременного обслуживания двух станций. Между лифтовыми шахтами по центру зала размещаются эскалаторы для перехода с одной станции на другую и связи их с другими этажами многофункционального подземного комплекса. При этом обеспечивается минимальное время пересадки пассажиров. Количество линий метрополитена в пределах пересадочного узла может любым. В строящейся станции имеется возможность резервировать места под новые линии при дальнейшем развитии метрополитена. Размещение в одном пересадочном узле подземной и наземной транспортной инфраструктуры, а также помещений различного назначения, позволит создать высокий уровень комфорта пассажиров.

Таким образом, предложенные подходы дают возможность выполнить геомеханическое обоснование рациональных и безопасных конструкций станций на разработанных базовых объемных численных моделях конструкций станций метрополитена и позволяют в процессе расчетов и проектирования вносить конструктивные и технологические изменения в модель с получением напряженно-деформированного состояния конструкций станций на всех этапах строительства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных исследований:

1. Проведены натурные исследования напряженно-деформированного состояния несущих элементов станций метрополитена глубокого заложения и выполнен анализ результатов. Выявлены величины и закономерности распределения напряжений в конструкциях станций различных типов метрополитена глубокого заложения. В колонных станциях метрополитена выявлено влияние технологии строительства на формирование напряженно-деформированного состояния конструкций станций. Наибольшее влияние оказывают следую-

щие этапы строительства: раскрытие боковых тоннелей на все сечение; разработка калотты и возведение верхнего свода среднего тоннеля - происходит активный рост напряжений в колоннах с незначительным их снижением в момент нахождения забоя на исследуемом колонно-прогонном комплексе; разработка ядра среднего тоннеля -наблюдается скачок напряжений; разборка тюбингов временного заполнения также приводит к резкому увеличению нагрузки на колонны; разработка и сооружение обратного свода приводит к некоторому снижению напряжений в колоннах.

2. Разработана методология прогнозирования геомеханических процессов при строительстве станций метрополитена глубокого заложения. Отличительными особенностями предложенного подхода является использование схемы взаимодействия системы «массив -технология строительства - станция» с применением пространственных численных моделей. Методология расчета напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена основывается на открытой динамической системе «массив - технология строительства - станция», позволяющей в процессе расчетов и проектирования вносить конструктивные и технологические изменения в базовую модель с целью улучшения исходных характеристик.

3. Разработаны базовые объемные численные модели расчета конструкций станций метрополитена, учитывающие конструктивные и технологические особенности строительства станций. В пилонной станции раскрытие сечения каждого тоннеля моделировалось в два этапа, а их проходка осуществлялась поочередно. Обделка вводилась в работу на расстоянии одного кольца. На отдельных этапах поочередно разрабатывались проемы. В колонной станции боковые тоннели проходились способом пилот-тоннеля, а средний - уступами, как и в односводчатой станции. Во всех случаях также учитывалось постепенное подвигание забоя. Результаты расчетов базовых моделей сопоставлялись с натурными данными и являлись основой для дальнейших численных экспериментов с целью совершенствования конструкций станций.

4. Разработана методика геомеханического прогноза напряженно-деформированного состояния конструкций станций на основе

численного моделирования. В ней рассмотрены особенности моделирования различных видов временной крепи и постоянной обделки (сборной и монолитной) показаны подходы к представлению в численной модели технологических этапов строительства станции. Предложены подходы к определению параметров временной крепи лба забоя тоннеля и сдерживающего влияния временной крепи лба забоя. Даны рекомендации по выбору типов конечных элементов, созданию контактов между обделкой станции и грунтовым массивом, созданию конечно-элементной сетки и выбору геомеханических моделей.

5. Выполнено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований. По различным типам станций сходимость составила более 85 %. Сравнивались элементы конструкций, на которых проводились натурные исследования. Полученная информация экспериментальных исследований являлась базой для разработки численных моделей.

6. Проведено сопоставление результатов численного моделирования станций и подтверждено значительное отличие картины формирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций различных типов метрополитена глубокого заложения с учетом и без учета технологических этапов строительства. Проведенный анализ показывает отличия как по величинам напряжений, так и по характеру их распределения в конструкциях.

7. Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций пилонных (колонных) станций в зависимости от размеров пилонов (колонн) и проемов. Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций колонных станций закрытого типа в зависимости от радиусов сводов среднего тоннеля.

8. Выявлены зависимости формирования пространственного распределения контактных давлений на внешних поверхностях обделок станций различных типов метрополитена глубокого заложения от основных этапов технологии их строительства и конструктивных особенностей. Максимальная величина контактных давлений наблюдается на наружной поверхности боковых тоннелей по горизонтальному диаметру и в местах сопряжения сводов среднего и боковых

тоннелей в колонных станциях и зависит от жесткости несущих конструкций.

9. Разработаны новые конструктивные и технологические решения колонной станции закрытого типа метрополитена глубокого заложения. Предложена замена чугунных стен-колонн на железобетонные. Вместо нетиповых тюбингов шириной 762 мм предлагается использовать стандартные блоки метровой ширины. Наличие шарниров в узлах опирания обделок на стены-колонны создаст лучшие условия работы конструкций. Разработанная конструкция опорных тюбингов, не выходящих за габариты тоннеля позволяет использовать при строительстве высокопроизводительный проходческий щит.

10. Предложены новые объемно-планировочные и конструктивные решения пересадочных узлов станций метрополитена. Станции различных линий метрополитена располагаются в одном объеме многофункционального подземного комплекса. Их количество в пределах пересадочного узла может любым. В строящейся станции имеется возможность резервировать места под новые линии при дальнейшем развитии метрополитена. Размещение в одном пересадочном узле подземной и наземной транспортной инфраструктуры, а также помещений различного назначения, позволит создать высокий уровень комфорта. Использование подземной части в качестве фундамента наземного здания позволит существенно снизить стоимость его строительства.

11. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» при подготовке специалистов по направлению «Горное дело» специализации «Шахтное и подземное и подземное строительство» по дисциплинам «Моделирование физических процессов в горном деле», «Механика подземных сооружений», «Строительство метрополитенов», «Проектирование строительства горных предприятий и подземных сооружений».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: из перечня ВАК:

1. Деменков, П.А. Особенности формирования напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов станции

Санкт-Петербургского метрополитена «Проспект Просвещения» / П. А. Деменков // Записки Горного института. СПб. - 2002 г. - том 152. -С. 121-124.

2. Деменков, П.А. Влияние технологии на формирование нагрузки при строительстве колонной станции Санкт-Петербургского метрополитена «Комендантский проспект» / П.А. Деменков // Записки Горного института. СПб. - 2003 г. - том 155. - С. 102-105.

3. Лебедев, М.О. Влияние проходки тоннеля верхнего уровня на формирование напряженно-деформированное состояние обделок перегонных тоннелей в зоне их взаимного влияния / Лебедев М.О., Деменков П.А. // Горный журнал. Известия ВУЗов. Екатеринбург. -

2003 г.-№3.-С.44-50.

4. Деменков, П.А. Натурные исследования станций глубокого заложения колонного типа / П.А. Деменков // Известия Тульского государственного университета". Тула. - 2003 г. - выпуск 1. - С. 85-89.

5. Деменков, П.А. Особенности формирования вертикальной нагрузки на обделку колонной станции метрополитена «Комендантский проспект» / П.А. Деменков // Записки Горного института. СПб. -

2004 г.-том 156.-С. 27-30.

6. Деменков, П.А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделок перегонных тоннелей в зоне их взаимного влияния / П.А. Деменков // Записки Горного института. СПб. - 2007 г. - том 172. - С. 24-29.

7. Потемкин, Д.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вмещающего комплекс элементов подземных и наземных сооружений / Д.А. Потемкин, П.А. Деменков // Известия Тульского государственного университета. Тула. -2008 г.-С. 114-116.

8. Деменков, П.А. Исследование напряженного состояния обделки пилонной станции метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков, М.А. Карасев // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Серия: Науки о Земле. - Тула: Гриф и К. - 2009. - С. 50-55.

9. Деменков, П.А. Геомеханические проблемы прогноза напряженно-деформированного состояния станций метрополитена

глубокого заложения / П.А. Деменков, И.Е. Долгий, В.И. Очкуров // Записки Горного института. СПб. - 2010. - том 185. - С. 76-81.

10. Деменков, П.А. Новые конструктивные решения колонной станции закрытого типа метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков, М.А. Карасев // Строительная геотехнология: Сборник статей - 2010 г. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). М.: Издательство «Горная книга». -2010. - С. 143-149.

11. Петров, Д.Н. Численное моделирование напряженного состояния в обделке колонных станции без боковых платформ / Д.Н. Петров, П.А. Деменков, Д.А. Потемкин // Записки Горного института. СПб.-2010.-том 185. - С.166-171.

12. Потемкин, Д.А. Напряженно-деформированное состояние обделок станционного комплекса метрополитена испытывающего влияние свайного фундамента / Д.А. Потемкин, П.А. Деменков, В.Н. Очнев // Записки Горного института. СПб. - 2010. - том 185. - С. 235-239.

13. Деменков, П.А. Геомеханическая оценка поэтапного строительства пилонной станции метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков, М.А. Карасев, Д.А. Потемкин // Записки Горного института. СПб. - 2011. - том 190. - С. 220-224.

14. Деменков, П.А. Многофункциональный подземный комплекс с пересадочным узлом станций метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков // Современные проблемы геомеханики, геотехнологии и маркшейдерского дела. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» СПб, Записки Горного института. -

2012. - Т. 199. - С. 118-122.

15. Деменков, П.А. Геомеханическая оценка развития мульды оседания земной поверхности при строительстве пилонной станции метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков // Записки Горного института. СПб. - 2013. - Том 204. - С. 220-222.

16. Деменков, П.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива, включающего элементы многофункционального комплекса с многоэтажной подземной частью / П.А. Деменков, Д.А. Потемкин // Записки Горного института. СПб. -

2013. Том 204.-С. 223-225.

другие работы:

17. Протосеня, А.Г. Исследование работы конструкции станции метрополитена колонного типа / А.Г. Протосеня, П.А. Деменков // Метро и тоннели. М. - 2005. - Т.1. - С. 48-50.

18. Деменков, П.А. Анализ процесса формирования нагрузок на обделку колонной станции закрытого типа глубокого заложения / П.А. Деменков // Труды 7-й межрегиональной научно-практической конференции. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркута. - 2009. - С. 50-52.

19. Деменков, П.А. Статическая работа основных несущих элементов колонной станции без боковых посадочных платформ глубокого заложения / П.А. Деменков // Труды 7-й межрегиональной научно-практической конференции. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркута. - 2009. - С. 53-55.

20. Деменков, П.А. Сравнительный анализ колонной станции без боковых платформ с чугунными и железобетонными разделительными стенами / П.А. Деменков, Д.Н. Петров, В.Н. Очнев // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Тула: Изд-во ТулГУ. - 2010. - Вып. 2. - С. 218224.

21. Деменков, П.А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки колонной станции закрытого типа с учетом последовательности ее строительства / П.А. Деменков, Д.Н. Петров, М. Яндрис // Gornictwo i geología. Kwartalnik, zeczyt 2. Gliwice. - 2010. - Tom 5. - С. 29-37.

22. Деменков, П.А. Геомеханическое обоснование новых конструктивных и технологических решений строительства станций метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков // Сборник материалов конференции «Российские технологии и инженерное дело: перспективные проекты». Сантьяго. - 2010. - С. 61-67.

23. Петров, Д.Н. Особенности формирования напряженного состояния обделок станций без боковых платформ с различными радиусами верхних сводов / Д.Н. Петров, П.А. Деменков, В.Н. Очнев // Материалы 8-й международной научно-практической конференции. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркута.-2010.-С. 75-80.

24. Потемкин, Д.А. Напряженно-деформированное состояние вокруг подземных и заглубленных объектов городского хозяйства / Д.А. Потемкин, П.А. Деменков, М.А. Карасев // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Тула: Изд-во ТулГУ. - 2010. - Вып. 2. - С. 165-172.

25. Потемкин, Д.А. Формирование напряженно-деформированного состояния объектов городского хозяйства при интенсивной застройке и освоении подземного пространства / Д.А. Потемкин, П.А. Деменков, М.А. Карасев // Gomictwo i geologia. Kwartalnik, zeczyt 2. Gliwice. -2010. -Tom 5. -C. 159-169.

26. Деменков, П.А. Численное моделирование напряженного состояния обделки односводчатой станции метрополитена с учетом этапности ее строительства / П.А. Деменков, H.A. Беляков // Труды 9-й международной научно-практической конференции. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркута. - 2011. - С. 45-49.

27. Протосеня, А.Г. Механика подземных сооружений. Пространственные модели и мониторинг / А.Г. Протосеня, Ю.Н. Огородников, П.А. Деменков, М.А. Карасев, М.О. Лебедев, Д.А. Потемкин, Е.Г. Козин // Монография. СПГГУ-МАНЭБ. СПб, 2011 г. - 355 с.

28. Maxim A. Karasev. Оценка напряженно-деформированного состояния многофункционального подземного комплекса, совмещенного со станцией метрополитена / Maxim A. Karasev, Peter A. De-menkov, Marek Jendrys // Gomictwo i geologia. Kwartalnik. Zeczyt 1. Gliwice. - 2011. - Tom 6. - C. 39-46.

29. Тимофеев, О.В., Деменков, П.А. Колонная трехсводачатая станция метрополитена без боковых платформ: пат. №2410495 Рос. Федерация: МПК E02D29/00 / О.В. Тимофеев, П.А. Деменков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет). -№2009140513/03; заявл. 02.11.2009; опубл. 27.01.2011, -5 е.: ил.

30. Деменков, П.А. Комплексный подход к расчету подземных сооружений большого поперечного сечения с применением метода конечных элементов / П.А. Деменков // Труды 10-й международ-

ной научно-практической конференции. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркутинский горный институт (филиал), Воркута. - 2012. - С. 19-21.

31. Деменков, П.А. Оценка влияния технологии строительства на формирование напряженно-деформированного состояния од-носводчатой станции / П.А. Деменков // Труды 10-й международной научно-практической конференции. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркутинский горный институт (филиал), Воркута. - 2012. - С. 22-25.

32. Demenkov, P. Numerical modelling of underground multifunctional complex construction combined with subway transfer node / P. Demenkov, M. Karasev // Gornictwo i geologia. Kwartalnik., Zeczyt 1. Gli-wice. - 2012. - Tom 7. - P. 37-47.

33. Деменков, П.А. Численное моделирование анкерного крепления опор односводчатой станции метрополитена / П.А. Деменков // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. - Донецк: «Норд - Пресс», 2012. -Вып 18-С. 10-12.

34. Деменков, П.А. Геомеханический прогноз напряженно-деформированного состояния обделок взаимовлияющих перегонных тоннелей / П.А. Деменков // BicTi Донецького прничого шституту Все-украшський науково-техшчний журнал прничого профшю (украУнсь-кою, росшською мовами). - Донецк: ДВНЗ «Донецький нацюнальний техшчний ушверситет». - 2013. - С. 92-97.

35. Деменков, П.А. Геомеханическое обоснование разных схем строительства многофункционального подземного комплекса с пересадочным узлом метрополитена / П.А. Деменков, М.А. Карасев // BicTi Донецького прничого шституту Всеукра'шський науково-тех-шчний журнал прничого профшю (украшською, росшською мовами). -Донецк: ДВНЗ «Донецький нацюнальний техшчний ушверситет». -2013.-С. 85-91.

36. Деменков, П.А. Комплексное усовершенствование конструкции колонной станции без боковых платформ метрополитена глубокого заложения / П.А. Деменков // «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Труды 11 -ой международной научно-практической конференции. Воркутинский горный институт

(филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - Воркута. - 2013. - С. 28-32.

37. Деменков, П.А. Расчет напряженно-деформированного состояния типовой колонной станции закрытого типа / П.А. Деменков // «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Труды 11-ой международной научно-практической конференции. Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - Воркута. - 2013. -С. 33-36.

38. Деменков, П.А. Численное моделирование высотного здания, опирающего на многофункциональный подземный комплекс с внутренним каркасом / П.А. Деменков, Д.А. Потемкин // «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Труды 11-ой международной научно-практической конференции. Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - Воркута. - 2013. - С. 42-45.

39. Деменков, П.А. Численное моделирование оседания земной поверхности при строительстве станции «Волковская» Санкт-Петербургского метрополитена / П.А. Деменков, М.А. Карасев // «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Труды 11-ой международной научно-практической конференции. Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - Воркута. - 2013. - С. 37-41.

40. Карасев, М.А. Расчет мульды оседания земной поверхности при строительстве пилонной станции метрополитена глубокого заложения / Карасев М.А., Деменков П.А. // «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Труды 11-ой международной научно-практической конференции. Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Воркута. - 2013. - С. 76-79.

РИЦ Горного университета. 28.07.2015. 3.667. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

1 5 - - 8 6 6 2

2015674819 ШИШИ IIIIIIIIIIII HU I