Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей"

Шорников Иван Игоревич

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСИЛИЙ ПРОДАВЛИВАНИЯ ОБДЕЛКИ В БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Специальность 25.00.20 — «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о г.:лг!

Москва 2012

005042587

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

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Баклашов Игорь Владимирович, «Московский государственный горный университет», профессор кафедры «Физика горных пород и процессов».

Официальные оппоненты: Одинцев Владимир Николаевич - доктор технических наук, «Институт проблем комплексного освоения недр РАН», ведущий научный сотрудник;

Мазеин Сергей Валерьевич - кандидат технических наук, «Тоннельная ассоциация России», руководитель отдела технического регулирования и

управления качеством

Ведущая организация - ЗАО «Триада-Холдинг» (г. Москва)

Защита состоится «23» мая 2012 г. в/У-00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ).

Автореферат разослан «23» апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета докт.техн.наук

МЕЛЬНИК В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы» Важнейшими функциональными объектами городской инфраструктуры являются коллекторные тоннели для инженерных коммуникаций различного назначения. Распространенная в Москве практика строительства коллекторных тоннелей свидетельствует о широком применении бестраншейных технологий, среди которых наиболее прогрессивной является технология микротоннелирования.

В последние годы технология микротоннелирования значительно расширила область своего применения. Это прокладка трубопроводов малых и больших диаметров большой протяженности и со сложной траекторией без присут-' ствия людей на разных глубинах и в разных породах.

Анализ опыта применения технологии микротоннелирования показывает, что имеют место отказы конструкций для продавливания в стартовых шахтах, разрушения элементов обделки от воздействия монтажных нагрузок. Основная причина таких аварийных ситуаций состоит в том, что величины усилий продавливания назначаются на основе идеализированных схем взаимодействия конструкции обделки с породным массивом. Параметры неизбежных отклонений фактической траектории тоннеля от проектной в расчетах усилий продавливания не отражены. Не учитываются также при проектировании наблюдаемые на практике значительные увеличения усилий продавливания при остановке проходческих комплексов.

В то же время зарубежный и отечественный опыт применения технологии микротоннелирования свидетельствует о том, что обеспечение безаварийного процесса ведения работ может быть достигнуто прогнозированием усилий продавливания на основе совместного учета параметров геометрии трассы, параметров системы «обделка - раствор - порода» и конструктивных параметров обделки.

Сложившаяся ситуация характеризуется тем, что

- до настоящего времени исследование взаимодействия в системе «обделка - раствор - порода» сопряжено с изучением большого количества влияющих факторов и выбором наиболее информативных показателей, что до настоящего времени остается мало исследованной областью геомеханики;

- отсутствует инженерный метод прогнозирования усилий продавлива-ния обделок тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования.

В связи с этим разработка научно обоснованного метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в обосновании и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологам строительства коллекторных тоннелей, что позволяет повысить надежность проектирования конструктивных элементов обделки, стартовых шахт и домкратных установок.

Идея работы состоит в, использовании эффекта нарушения сцепления на контакте в системе «обделка — раствор - порода», обусловленного силой трения покоя, для обоснования реально наблюдаемых усилий продавливания, учитывающих проектную и технологическую кривизну трассы микротоннелирования.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Усилия продавливания на прямолинейных трассах микротоннелирования складываются из забойной и фрикционной составляющих, которые определяются конструктивными параметрами обделки, деформационными характеристиками системы «обделка - раствор - порода» и коэффициентом трения покоя на контактах системы, учет которого объясняет наблюдаемое в натурных условиях увеличение усилий продавливания на 20-25% по сравнению с прогнозируемым усилием, учитывающим коэффициент трения скольжения.

2. Усилия продавливания на криволинейных участках трассы в меньшей степени зависят от проектной кривизны и в большей степени от технологической кривизны трассы, учет которой увеличивает прогнозируемые усилия продавливания на 80-95%.

3. Разработанный алгоритм прогнозирования усилий продавливания позволяет обосновать конструктивные параметры обделки - материал, толщину стенки и длину элементов обделки и технологические параметры микротонне-лирования - тип проходческого комплекса, консистенцию бентонитового раствора, мощность главной и промежуточных домкратных станций, расстояние между промежуточными домкратными станциями, конструкцию стартового котлована и упорной стенки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

- корректностью применения методов моделирования геомеханических процессов в породном массиве и на контакте элементов обделки и породного массива;

- представительным объемом материалов по применению технологии микротоннелирования, использованных для проверки результатов моделирования;

- удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 10% в пределах доверительных интервалов) прогнозных расчетных оценок с фактически измеренными усилиями продавливания.

Научпое значение работы заключается в теоретическом обосновании и количественной оценке геомеханических процессов в породных массивах, формирующих напряженно-деформированное состояние обделки при продавливают в бестраншейных технологиях.

Практическое значение работы состоит в разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования, отражающего особенности её поведения в породном массиве.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанный метод прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей рекомендован для проектирования в ООО "Институт "Каналстройпроект" и ГУП "Мосинжпро-ект".

з

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на научном симпозиуме «Неделя горняка - 2012», обсуждены и одобрены на семинарах в учебно-исследовательском центре "Геомеханика" МГТУ и на научных семинарах кафедр ФГПиП и СПСиШ МГГУ (2010 - 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 62 рисунка, 15 таблиц, список использованной литературы из 76 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I

Технология микротоннелирования - современная наукоёмкая технология подземного строительства за полувековой период развития значительно расширила область своего применения. Это прокладка трубопроводов малого диаметра и проходка тоннелей большого диаметра до 4,5 м как в слабых породах, так и в скальных массивах по трассам произвольной протяженности и со сложной траекторией.

Обделки тоннелей для трубопроводов, как следует из анализа работ по микротоннелированию (Корчак А.В., Шуплик М.Н., Федунец Б.И., Баклашов И.В., Картозия Б.А., Власов С.Н., Самойлов В.П., Меркин В.Е., Одинцев В.Н., Бессолов П.П., Курносов В.И., Мазеин С.В., Синицын А. Ю., Рёсслер.У., МШь §ап вЖЕ., ИотБ Р., БЬег1е М., БЫтаск Н. и др.), одновременно выполняют конструктивные и технологические (монтажные) функции при производстве горных работ, воспринимая значительные по величине монтажные нагрузки при продавливании. Железобетонные трубы, используемые при монтаже обделки, в наибольшей степени отвечают требованиям технологии продавлива-ния, лежащей в основе наиболее прогрессивной технологии микротоннелирования.

Развитие микротоннелирования обеспечивается наличием трех составляющих, таких как:

- современные микротоннелепроходческие комплексы;

- трубчатая обделка микротоннелей;

- нормативно-методическая база для этой технологии.

Нормативно-методическая база микротоннелирования в России развивается начиная с появления в 2004 г. двух документов, содержащих технологические нормы проектирования. Следующие обязательные шаги в этом направлении проводятся по разработке строительных норм проектирования тоннелей, создаваемых по технологии микротоннелирования. Особое внимание уделяется анализу зависимостей для усилий продавливания от всевозможных параметров, имеющих место при проектировании трасс микротоннелирования.

В плане разработки метода прогнозирования усилий продавливания были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих рекомендаций по определению усилий продавливания на участках с проектной и технологической кривизной, учитывающих взаимодействие в системе «обделка - раствор — порода».

2. Разработка методики моделирования усилий продавливания обделки тоннелей.

3. Анализ результатов моделирования и установление зависимостей усилий продавливания от соотношения механических характеристик в системе «обделка — раствор — порода», конструктивных параметров обделки и кривизны криволинейных участков.

4. Экспериментальное исследование усилий продавливания, технологических отклонений от проектной трассы и раскрытия стыков между элементами обделки по длине тоннеля на криволинейных участках и сопоставление экспериментальных и прогнозируемых усилий продавливания.

5. Разработка и реализация алгоритма прогнозирования усилий продавливания в технологии микротоннелирования.

Из анализа существующих рекомендаций по определению усилий продавливания следует, что основными характеристиками являются: сопротивление породного забоя, которое приравнивается к сопротивлению внедрения в породный забой и сопротивление трения по боковой поверхности продавли-

ваемой обделки, именуемые в дальнейшем соответственно забойной составляющей Ре и фрикционной составляющей /уг усилий продавливания.

Забойная составляющая зависит, от способа продавливания (с гидропри-грузом или породным пригрузом) и определяется свойствами пород, глубиной Н и диаметром щитового комплекса Су. Фрикционная составляющая определяется геометрией трассы (длина I, проектный радиус кривизны Я, глубина Я), коэффициентами трения [г в системе «обделка - раствор - порода», параметрами используемого раствора для снижения трения (бентонит, полимер и т.д.), внешним диаметром Оа, длиной и весом трубы.

Зависимость фрикционной составляющей от длины участка продавливания имеет возрастающий характер по линейному закону, где коэффициент наклона прямой в такой зависимости пропорционален силе трения скольжения на единицу длины тоннеля. Учет отклонений от прямолинейности производится введением понятия силового отношения Яд как отношения фрикционной составляющей на криволинейном участке к фрикционной составляющей на прямолинейном участке.

Анализ результатов существующих исследований по прогнозированию усилий продавливания обделок тоннелей показал, что необходим совместный учет как механических характеристик в системе «обделка — раствор — порода», в особенности модуля деформации породы, коэффициента трения покоя ц5 и скольжения ц^ по контакту «обделка - раствор - порода», так и конструктивных параметров обделки, в особенности диаметра и параметров прокладки между трубами, а также радиуса кривизны криволинейных участков. Из опыта работы по применению технологии микротоннелирования также следует, что необходим учет отклонений оси тоннеля от проектного направления по технологическим причинам, т.е. технологической кривизны трассы.

Установлено, что для расчета фрикционной составляющей необходимо учитывать, что нагрузка на одну часть боковой поверхности трубы формируется действием горного давления, а на другую — реакцией массива горных пород Р по контакту «обделка - раствор - порода» в результате выдав-

ливания раствора. Составляющая от горного давления равномерно распределена по части поверхности трубы через раствор в строительном зазоре. Реакция массива горных пород Р складывается из воздействия горного давления, веса трубы и дополнительного отпора породного массива на криволинейных участках, который зависит от модуля деформации окружающего породного массива. Таким образом, по одной части поверхности трубы действует трение «обделка - раствор», по другой трение «обделка - порода», которое определяется коэффициентом трения покоя ц$.

В результате обработки'существующих экспериментальных данных относительно значений для модуля деформации Es и угла внутреннего трения fis построены соотношения «fis — Es)> для различных типов пород (рис.1), где принято \is = tai^Vs)-

Из решения контактной задачи построены выражения для площади контакта «обделка - порода» на единицу длины тоннеля As и контактной касательной нагрузки Т:

Т = 2 -7) при u<ut, Т = цкР при и > и„ . (2)

где Es, vs — модуль деформации и коэффициент Пуассона породы; fg- размер строительного зазора; и — продольное смещение вдоль оси трубы;

и, = — предельное значение для продольных смещений, при

nEsAs

котором начинается скольжение.

Для прямолинейных участков из решения задачи о срыве сцепления трубы по породе установлено, что при построении алгоритма вычислений усилий продавливания следует фиксировать только максимальные перемещения, равные и».

Ее, МПа

Ер МПа

Е5, МПа

Рис.1. Соотношения ' Ц3 — Е/ для различных типов пород (а - пески, б - супеси, в - глины)

Получено выражение для усилия продавливания:

Рш = + Щт = " ^о + 1-5 ■ Сц ■ СР • Су, где - сопротивление внедрению в породный забой;

С5 — Мх (/ я ) ~ комплексный породный параметр;

1/2

1/4

©

,3/4

IV

комплексный конструкционный параметр;

Сг = 1/сЬ ---коэффициент ослабления действия сопротивления

призабойной породной зоны; Сг = Ш (—) — функция трения;

Е3, — модуль деформации и коэффициент Пуассона породы

соответственно;

Ег — продольная жесткость обделки Ег = Е

Ец>Ер — модули упругости соответственно материала трубы и прокладки;

- толщина прокладки;

— площадь поперечного сечения трубы; 'л > Рщ ~ длина и вес трубы;

Ь —длина обделки;

м

1.5 • ■ Ср

'я /¡¿бРхм ~ характерное расстояние.

Зависимость (3) для конкретного примера представлена на рис.2.

50

100

150

200

Длина.м

Рис.2. Фрикционная составляющая в зависимости от длины тоннеля при различных значениях диаметра обделки

На рис.3 приведены значения коэффициентов чувствительности, показывающих, какую долю вносит каждый из представленных параметров конструкции в усилие продавливания.

Строительный зазор

Длина трубы

_I о.059 Толщина прокладки

j O.OSB Модульулругостн прокладки 0.002 Модуль упругости бетона

Рис. 3. Коэффициенты чувствительности, оценивающие влияние параметров конструкции на усилие продавливания

Для определения усилий продавливания на криволинейных участках разработаны модель статической работы тоннельной обделки при взаимном развороте смежных труб в стыке и балочная конечно-элементная модель обделки, включающая балочные элементы «труба» и «породный массив» с учетом элемента «стык». В схеме МКЭ с балочными элементами поведение стыка моделируется введением пружин с жесткостями С: Сь — продольная и Сс —поворотная жесткости.

Жесткость при линейных деформациях для плоского стыка определяется жесткостью прокладки:

Поворотная жесткость стыка определяется для двух случаев его работы: при отсутствии раскрытия (или изменения начальной области контакта) стыка и при наличии раскрытия:

CD s при в < всг и = ^ CI - 2т)2 при в > всг, (5)

ИСр Ост

где в —угол разворота смежных труб;

е — эксцентриситет действия нормальной силы; IV — нормальное усилие.

Конечно-элементная балочная модель построена из изгибаемых стержневых элементов «труба - стык» 1 для трубы с учетом свойств стыкового соединения и изгибаемых стержневых элементов «труба - порода» 2 для учета взаимодействия трубы с породным массивом (рис.4).

1-1

Рис.4.Элементы, силы и перемещения в МКЭ модели системы «труба - контакт - порода» (./-стержень, моделирующий элемент трубы, 2-югибаемый опорный стержень)

Параметры элемента «труба - порода» площадь сечения А$р и момент инерции сечения 1зр определяются выражениями

1+1

—

■ЬР 2

~ 2 ' ~ 24 У (1+1'

где /5р - длина стержня (принимается равной 1 м).

п

Для оценки влияния проектного радиуса кривизны Л на усилие продавли-вания вводятся два силовых отношения: Я0 - для забойной составляющей и Яя —для фрикционной составляющей.

В результате моделирования построена зависимость силового отношения Я0 для забойной составляющей усилия продавливания от комплексного породного параметра С5 (рис.5). При нахождении этой зависимости брались только максимальные значения силового отношения Я0, отвечающие различным значениям отношения длины трассы I к ее проектному радиусу кривизны 1/Я. Из графика видно, что с увеличением значения комплексного породного параметра значения для силового отношения увеличиваются до 25%. Лп

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Комплексный породный параметр, м-'Ъ'МН1'4

Рис.5. Зависимость силового отношения Я0 от параметра С5

По результатам моделирования построена зависимость силового отношения Яя для фрикционной составляющей усилия продавливания от величины относительной проектной кривизны участка продавливания Ь/И.С увеличением кривизны участка это отношение увеличивается для различных значений параметра С3 (рис.6). Из графика видно, что с увеличением значения относительной кривизны значения для силового отношения увеличиваются до 6% для крупнозернистых песков.

О 0.5 1 1.5

Относительная кривизна

Рис.6. Зависимости силового отношения Ля от относительного радиуса кривизны для различных значений параметра Cs

Оценка влияния технологических искривлений на усилия продавливания выполнена с помощью разработанной расчетной схемы, в которой исследуемая трасса разбивается на участки, где отклонения представляются в виде функции хода тоннеля, описывающей форму искривленного участка вдоль трассы fix)'-

f(x) = U 1-cosf), (7)

где Lm — длина полуволны (участка искривления);

fm — максимальное отклонение от проектного направления

(«стрела изгиба») трассы; х — расстояние вдоль прямолинейной трассы либо R9 — расстояние вдоль криволинейной трассы радиуса R.

Влияние технологических искривлений на фрикционную составляющую усилия продавливания учитывается силовым отношением Ят. Для каждого участка под номером i длиной Lmi определяется силовое отношение Xmi и вычисляется среднее значение Хт для всей трассы длиной L с п участками по формуле

^■т ~ ^(^miLmi + Лт2Ьт2 + ■■• + A-mnLmn). (8)

При оценке параметров технологических искривлений по опытным данным получены соотношения для средних значений E(fm) и стандартных от-

клонений 50^) стрелы изгиба и длины участка с технологическим искривлением Ьт:

ЕОт) = (¿ш)1'7, - 0.05 ■ атУл. (9)

По результатам моделирования построена зависимость для силового отношения Лт от длины участка с технологическим искривлением 1т для различных диаметров обделки Эа (рис.7). Установлено, что представленная зависимость справедлива для любых значений комплексного породного параметра С5. Кроме того, практически отсутствует влияние разбросов в значениях Из этой зависимости следует, что имеет место значительное увеличение фрикционной составляющей, в особенности для малых длин участков искривления, достигающее шестикратного значения для Оа = 1,5м.

Длина участка с технологическим искривлением,«

Рис. 7. Зависимости силового отношения Ят от длины участка с технологическим искривлением для различных диаметров обделки

Зависимость силового отношения от длины участка с технологической

кривизной с достоверностью -приближения Д2 =0,9859 описывается выражением, приведенным на рис. 7, где коэффициенты Ати Вт с достоверностью приближения Я2 =0,9983 описываются выражениями

Аш = и Вт = 6.84(/)а)0,76. (10)

Окончательное выражение для определения усилия продавливания на криволинейном участке с проектной кривизной при наличии участков с технологическими искривлениями будет иметь вид

= ¿о ' сь ' ро + 1-5 ■ Яй • А™ • С* • СР ■ Су. (11)

Для проверки теоретических положений, изложенных выше, проведены экспериментальные исследования, включающие замеры усилий продавливания, технологических отклонений от проектной трассы и замеры углов разворота труб по криволинейной трассе. Согласно проекту проходка тоннеля осуществлялась под неиспользуемой площадью без наземных строений на глубине 5,5 -6,0 м. В соответствии с геологическим описанием начальный участок длиной 17,5 м - насыпной грунт, далее флювиогляциальные отложения: по почве тоннеля — песок крупнозернистый водонасыщенный — 95,0 ми суглинок текуче-пластичный с гравийными включениями - 122 м. Работы производились по технологии микротоннелирования с использованием проходческого комплекса МТБ 2000 диаметром —2,56 м и весом 60 тон. Проектный радиус кривизны трассы К =220 м. Общая длина участка 1С =234 м. Параметры труб обделки: внешний диаметр - Оа =2,5 м; внутренний диаметр = 2,0 м (толщина =0,25 м); длина труб 1К =2,0 м; бетон класса В40; толщина кольцевой прокладки ~3 см.

Для сопоставления результатов экспериментальных замеров усилий продавливания с результатами моделирования приняты значения модуля деформации для песков Е5 =(30±5)МПа и коэффициента трения покоя ¡л5 =0,4±0.05; для текучепластичного суглинка соответственно (15±3)МПа и 0,2±0.03. Начальное усилие внедрения в породный забой Ра =53тон.

На рис.8 представлены фактически измеренные значения отклонений оси тоннеля от проектной оси по трассе проходки. Результаты даются в форме «номер участка (длина участка - метры, отклонение - мм)».

По результатам замеров отклонений хода тоннеля от проектного положения и использования зависимости на рис.7 получены значения силового отношения Яго (формула 8) по ходу проходки. Ход изменения силового отношения Лт вдоль трассы показан на рис. 9.

100 150

Расстояние по длине трассы,м

Рис.8. Значения отклонений оси тоннеля от проектной по трассе проходки

Хгг

100 150

Длина проходки,м

Рис.9. Вычисленные по замерам параметров технологических искривлений значения силового отношения -Ят

Результаты замеров усилий продавливания в процессе проходки приведены на рис.10, где также показаны данные статистической обработки по усреднению методом линейной фильтрации на 4 м (по двум трубам) и результаты расчетов по приведенным выше рекомендациям.

Обработка результатов замеров раскрытий стыков в виде углов взаимного разворота труб показала, что средние значения оказались равными проектному значению разворота в 0,004 град на трассе с проектным радиусом кривизны R =220 м.

50

200

100 150

Дпинз.м

Рис.10. Значения усилий продавливания по длине

250

Сопоставление экспериментальных результатов и результатов моделирования показало, что в пределах доверительного интервала 15 тон расхождение в 5% имеет место на 85 м длины обделки, в пределах 5-10% - на трети длины -74 м (рис.11).

Распределение отклонений

0.45 0.4 0.35 о 0.3 | 0.25 £ 0.2 0.15 0.1 0.05 0

О

¡¡■л ■. г ..

'--д.-

<5% > 10%

0.381 0.3333 0.286

Рис.11. Распределение отклонений усредненных экспериментальных значений усилий продавливания и результатов моделирования

Для реализации рекомендуемого метода прогнозирования усилий продав-ливания при проектировании технологии микротоннелирования разработана блок-схема алгоритма определения усилий продавливания (рис.12) .

Исходные данные для проектирования 1ЯНО,

Свойства пород Б, <р5 7*

1

Конструктивные параметры обделки

► Ея Ру/ Ер £р £в

•

Вычисление промежуточных параметров

С5 Ср С[л сг 1а[ Яд Яд

Вычисление усилия пролавливания

Еш = Я0С4Р0 + 1.5 -ЯяЯтС5СрСг

Определение параметров технологии микротоннелирования и < поочносшой расчет элементов

тоннельной обделки

Конец

Рис.12. Блок-схема алгоритма определения усилий продавливания тоннельных обделок при проектировании технологии микротоннелирования

Исходными данными для проектирования являются: длина трассы радиус кривизны Д, глубина заложения тоннеля Н и внутренний диаметр тоннеля По данным геологоразведки строится профиль тоннеля с указанием типов пород, для которых определяются следующие характеристики механических свойств: модуль деформации угол внутреннего трения <р$ и удельный вес По этим данным определяется коэффициент трения покоя в системе «обделка -раствор - порода». Вычисляются средние значения и стандартные отклонения для этой величины. Оценивается также возможный диапазон изменения силового отношения Ят, учитывающего технологические искривления.

Далее принимаются первоначальные значения для конструктивных параметров обделки (труб) на основе опыта проектирования: модуль упругости железобетона Ек, толщина обдеЛки вес трубы модуль упругости Ер и толщина tp прокладки. Учитывается величина строительного зазора

Вычисляются значения промежуточных параметров, определяющих усилия продавливания по длине трассы проектируемого тоннеля: комплексный породный параметр С5, комплексный конструкционный параметр Ср, коэффициент ослабления действия сопротивления призабойной породной зоны Си функция трения Су, характерное расстояние 1а1, силовые отношения Я0 и Яд.

По рекомендуемой формуле (11) определяются усилия продавливания. В зависимости от прогнозируемого усилия продавливания определяются параметры технологии микротоннелирования: тип проходческого комплекса (с породным пригрузом или гидропригрузом, вид разрушающего органа), консистенция бентонитового раствора, мощность главной и промежуточной дом-кратных станций, расстояние между промежуточными домкратными станциями, конструкция стартового котлована и упорной стенки.

По величине прогнозируемого усилия продавливания выполняется прочностной расчет обделки тоннелей и определяются её конструктивные параметры. В случае необходимости изменяются ранее принятые для проектирования конструктивные и технологические параметры и расчет повторяется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки коллекторных тоннелей в бестраншейной технологии строительства, отражающего взаимодействия в системе «обделка - раствор - массив горных пород», что имеет существенное значение для развития теории геомеханических процессов в породных массивах и методов проектирования технологий подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. Сформулированы основные положения методики моделирования усилий продавливания на основе балочной конечно-элементной расчетной схемы, учитывающей взаимодействия в системе «обделка - раствор - порода».

2. Установлены зависимости для значений внутренних усилий в стыках обделки при различных углах разворота труб, что позволяет рассчитывать их предельные значения на трассах с различными радиусами кривизны.

3. Получены зависимости для забойной и фрикционной составляющих усилий продавливания для прямолинейных участков, отражающие влияние параметров системы «обделка - раствор - порода».

4. Показано, что на расстояниях 60-100 м влияние забойной составляющей на общее усилие продавливания становится незначительным по сравнению с фрикционной составляющей.

5. Показано, что при увеличении длины участка продавливания сначала происходит линейное увеличение усилий продавливания, с последующим выполаживанием этой зависимости до максимального значения.

6. Показано, что на криволинейных участках с проектной кривизной происходит увеличение усилий продавливания до 6%, а наличие участков с технологической кривизной может приводить к трехкратному увеличению усилий продавливания при малых диаметрах обделки и до 50% при больших диаметрах.

7. Разработан алгоритм расчета усилий продавливания для его реализации при проектировании конструкций обделки, упорной стенки и домкрат-ных установок.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах, опубликованных в издания, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Шорников И. И. Прогнозирование усилий продавливания обделки тоннелей в технологии микротоннелирования: современное состояние//Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №9 - С. 163-168.

2. Баклашов И.В., Павлов О.Н., Шорников И. И. Моделирование статической работы обделки тоннелей при ее продавливании в технологии микротоннелирования// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. -№10.-С.216-221.

3. Баклашов И.В., Павлов О.Н., Шорников И. И. Оценка усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - №1 - С.255-258.

4. Шорников И. И. Прогнозирование усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - №2 - С.410-412.

Подписано в печать 18.04.2012 Формат 60x90/16

Объем 1 п. л. ' Тираж 100 экз. Заказ № -/¿22.

Отдел печати МГГУ, Москва, Ленинский проспект, д. 6

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шорников, Иван Игоревич, Москва

61 12-5/3325

ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

На праваюрукописи

Шорников Иван Игоревич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

УСИЛИЙ ПРОДАВЛИВАНИЯ ОБДЕЛКИ В БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Специальность: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

проф., докт. техн. наук Баклашов И.В.

МОСКВА 2012

Содержание

Введение .............................................................................. 4

Глава 1. Современное состояние и анализ методов прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей....................8

1.1. Общее современное состояние исследований по технологии микротоннелирования................................................ 8

1.2. Анализ методов прогнозирования усилий продавливания 10

1.3. Анализ существующих исследований по влиянию строительного зазора и его заполнения бентонитовым раствором

на усилия продавливания............................................................19

1.4. Выводы и постановка задач диссертационных исследований..........................................................................................................................35

Глава 2. Методика моделирования усилий продавливания обделки

тоннелей.................................................................. 37

2.1. Физико-механические характеристики свойств пород, контакта "порода - обделка" и материалов обделки............ 37

2.2. Моделирование статической работы обделки тоннелей

при ее продавливании.................................................. 40

2.3. Моделирование жесткости призабойной породной зоны.... 51

2.4. Механизм передачи усилий продавливания на забой выработки..................................................................................................................................53

2.5. Расчетная схема определения сопротивления продавлива-нию тоннельной обделки на участках трассы с технологической кривизной................................................................................62

2.6. Методика определения степени влияния расчетных параметров на величины усилий продавливания..............................64

Выводы по главе...................................................... 67

Глава 3. Результаты моделирования усилий продавливания обделки

тоннелей....................................................................................................................................69

3.1. Оценка погрешности численного моделирования..................69

3.2. Зависимости усилий продавливания от диаметра обделки 71

3.3. Результаты моделирования статической работы обделки тоннелей при ее продавливании..........................................................................72

3.4. Зависимости усилий продавливания от геометрии трассы.... 75

3.5. Зависимости усилий продавливания от фронтальной жесткости..................................................................................................................................77

3.6. Зависимости коэффициентов передачи усилий продавлива-

ния....................................................................................................................78

3.7. Зависимость фрикционной составляющей от параметров

технологических искривлений..............................................................................79

Выводы по главе................................................................................................................85

Глава 4. Экспериментальная проверка результатов моделирования и

рекомендации по прогнозированию усилий продавливания.. 87

4.1. Выбор экспериментального участка..............................................................87

4.2. Методика измерений на экспериментальном участке и обработка результатов измерений......................................................................87

4.3. Сопоставление результатов моделирования для условий экспериментального участка с результатами экспериментальных замеров..................................................................................94

4.4. Оценка достоверности результатов моделирования......................96

4.5. Рекомендуемый метод прогнозирования усилий продавливания в технологии микротоннелирования..............................................100

Выводы по главе..................................................................................................................107

Заключение..............................................................................................................................108

Список используемой литературы....................................................................110

Введение

Важнейшими функциональными объектами городской инфраструктуры являются коллекторные тоннели для инженерных коммуникаций различного назначения. Распространенная в Москве практика строительства коллекторных тоннелей свидетельствует о широком применении бестраншейных технологий, среди которых наиболее прогрессивной является технология микро-тоннелирования.

В последние годы технология микротоннелирования значительно расширила область своего применения. Это прокладка трубопроводов малых и больших диаметров большой протяженности и со сложной траекторией без присутствия людей на разных глубинах и в разных породах.

Анализ опыта применения технологии микротоннелирования показывает, что имеют место отказы конструкций для продавливания в стартовых шахтах, разрушения элементов обделки от воздействия монтажных нагрузок. Основная причина таких аварийных ситуаций состоит в том, что величины усилий продавливания назначаются на основе идеализированных схем взаимодействия конструкции обделки с породным массивом. Параметры неизбежных отклонений фактической траектории тоннеля от проектной в расчетах усилий продавливания не отражены. Не учитываются также при проектировании наблюдаемые на практике значительные увеличения усилий продавливания при остановке проходческих комплексов.

В то же время зарубежный и отечественный опыт применения технологии микротоннелирования при продавливании тоннельных обделок свидетельствует о том, что обеспечение безаварийного процесса ведения работ может быть достигнуто прогнозированием усилий продавливания на основе совместного учета параметров геометрии трассы, параметров системы "обделка - раствор - порода" и конструктивных параметров обделки.

Сложившаяся ситуация характеризуется тем, что

-5- исследование взаимодействия в системе "обделка - раствор - порода" сопряжено с изучением большого количества влияющих факторов и выбором наиболее информативных показателей, что до настоящего времени остается мало исследованной областью геомеханики;

- до настоящего времени отсутствует инженерный метод расчета усилий продавливания обделок тоннелей, сооружаемых по технологии микро-тоннелирования.

В связи с этим разработка научно обоснованного метода прогнозирования усилий продавливания в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в обосновании и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей, что позволяет повысить надежность проектирования конструктивных элементов обделки, стартовых шахт и домкрат-ных установок.

Идея работы состоит в использовании эффекта нарушения сцепления на контакте в системе "обделка - раствор - порода", обусловленного силой трения покоя, для обоснования реально наблюдаемых усилий продавливания, учитывающих проектную и технологическую кривизну трассы микро-тоннелирования.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Усилия продавливания на прямолинейных трассах микротоннелиро-вания складываются из забойной и фрикционной составляющих, которые определяются конструктивными параметрами обделки, деформационными характеристиками системы "обделка - раствор - порода" и коэффициентом трения покоя на контактах системы, учет которого объясняет наблюдаемое в натуре увеличение усилий продавливания на 20-25% по сравнению с прогнозируемым усилием, учитывающим коэффициент трения скольжения.

-62. Усилия продавливания на криволинейных участках трассы в меньшей степени зависят от проектной кривизны и в большей степени от технологической кривизны трассы, учет которой увеличивает прогнозируемые усилия продавливания на 80-95%.

3. Разработанный алгоритм прогнозирования усилий продавливания позволяет обосновать конструктивные параметры обделки - материал, толщину стенки и длину элементов обделки и технологические параметры мик-ротоннелирования - тип проходческого комплекса, консистенцию бентонитового раствора, мощность главной и промежуточных домкратных станций, расстояние между промежуточными домкратными станциями, конструкцию стартового котлована и упорной стенки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

- корректностью применения методов моделирования геомеханических процессов в породном массиве и на контакте элементов обделки и породного массива;

- представительным объемом материалов по применению технологии микротоннелирования, использованных для проверки результатов моделирования;

- удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 10% в пределах доверительных интервалов) прогнозных расчетных оценок с фактически измеренными усилиями продавливания.

Научное значение работы заключается в теоретическом обосновании и количественной оценке геомеханических процессов в породных массивах, формирующих напряженно-деформированное состояние обделки при про-давливании в бестраншейных технологиях.

Практическое значение работы состоит в разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования, отражающего особенности её поведения в породном массиве.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанный метод прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей рекомендован для проектирования в ГУП "Мосинжпроект" и ООО "Институт "Каналстройпро-ект".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на научном симпозиуме «Неделя горняка - 2012», обсуждены и одобрены на семинарах в учебно-исследовательском центре "Геомеханика" МГГУ и на научных семинарах кафедр ФГПиП и СПСиШ МГГУ (2010 - 2012гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 62 рисунка, 15 таблиц, список использованной литературы из 76 наименований.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСИЛИЙ ПРОДАВЛИВАНИЯ ОБ ДЕЖИ ТОННЕЛЕЙ В БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

1.1. Общее современное состояние исследований по технологии микротоннелирования

Технология микротоннелирования - современная наукоёмкая технология подземного строительства - за полувековой период развития значительно расширила область своего применения. Это прокладка трубопроводов малого диаметра и проходка тоннелей большого диаметра, до 4,5 м, без присутствия людей как в слабых породах, так и в скальных массивах по трассам произвольной протяженности и со сложной траекторией.

Развитие этой технологии в России описано в публикациях известных в нашей стране специалистов С.Н. Власова, В.П. Самойлова, П.П. Бессолова, А. Ю. Синицына [9, 10, 12, 13, 29-32]. Подробный обзор российского и зарубежного опыта микротоннелирования приведен в работе [25]. Об успехах по развитию технологии микротоннелирования, достигнутого в России, можно судить по изданиям НП «РОБТ» - Российского общества по внедрению бестраншейных технологий (исполнительный директор А.Ю. Синицын) и издательского центра «ТИМР».

Развитие микротоннелирования обеспечивается наличием трех составляющих:

- современные микротоннелепроходческие комплексы,

- трубчатая обделка микротоннелей,

- нормативно-методическая база для этой технологии.

Нормативно-методическая база микротоннелирования в России развивается, начиная с появления в 2004 г. двух документов [22, 27], содержащих технологические нормы проектирования. Следующие обязательные шаги в этом направлении проводятся по разработке строительных норм проектирования тоннелей, создаваемых по технологии микротоннелирования. Особое

внимание уделяется получению зависимостей усилий продавливания от всевозможных параметров, имеющих место при проектировании трасс микро-тоннелирования.

Как показывает практика микротоннелирования, частыми стали разрушения обделки от воздействия монтажных нагрузок [26, 42, 45]. При реализации многих проектов микротоннелирования иногда случаются отказы конструкций стартовых шахт, воспринимающих усилие продавливания. Такие отказы сегодня представляют серьезную проблему в Соединенных Штатах [71]. Это приводит к возрастанию требований к строительству объектов, которые приобретают существенное значение при денежном кредитовании. Поэтому особое внимание уделяется прогнозированию усилий продавливания при проектировании конструкций стартовых шахт с домкратной станцией, чтобы соответствовать требованиям по избежанию отказов.

При заданном проектном значении длины тоннеля и расчетной величине усилий продавливания определяют необходимые характеристики про-давливающеи установки, несущую способность упорной стенки, максимальный размер шахт с домкратной станцией, напряжения в элементах обделки, количество промежуточных домкратных станций.

Наиболее существенные параметры при определении усилий продавливания в технологии микротоннелирования следующие:

1 - Горное давление;

2 - Характеристики пород по длине проходки;

3 - Уровень грунтовых вод;

4 - Размер строительного зазора;

5 - Заполнитель строительного зазора;

6 - Промежуточные домкратные станции;

7 - Отклонения труб от проектной оси тоннеля;

8 - Кривизна трассы при продавливании;

9 - Простои при проведении работ;

10 - Конструктивные параметры обделки.

Параметры под номерами от 1, 2, 3 могут быть определены из полевых экспериментов, а параметры под номерами от 4 до 9 связаны с производством работ по строительству.

1.2. Анализ методов прогнозирования усилий продавливания

Первая постановка такой задачи приводится в работе [66]. Усилие продавливания РЬо1 состоит из двух составляющих: сила давления забоя на головную секцию проходческого агрегата Р0 (начальное усилие внедрения проходческого комплекса в породный забой или начальное усилие продавливания) и сила трения /уг:

Рш = Р0+РГг. (1.1)

В работе [62] начальное усилие продавливания при использовании проходческого комплекса с гидропригрузом оценивается по формуле

Р0 = (Ре+Р3)'П-(Ог/2)2, (1.2)

где Ре —усилие продавливания на м площади забоя (обычно для массива слабых пород Ре =150 кПа, для гравия Ре = 300 кПа); Р5 — давление, создаваемое гидропригрузом, равное давлению забоя +20 кПа; Df — внешний диаметр щита, м.

При использовании проходческого комплекса с породным пригрузом начальное усилие продавливания

Р0=аРе-п-(рг/2)2, (1.3)

где а — коэффициент усилия резания в зависимости от типа пород (для вязких а =0,5 для песчаных = 2,0, для твердых = 3,0); Ре — давление вынутой породы, (кПа), равное для песчаных пород давлению массива + гидростатическое давление + АР = 20 кПа, для вязких пород давлению массива.

В Ассоциации Водоснабжения Японии предложена формула для ^ (кН) [67]:

= 10.0 ■ 1.32лОаЫ, (1.4)

где Ра — внешний диаметр трубы, м ; N — числовое значение, полученное стандартными испытаниями по динамическому зондированию грунтов (стандарт А8ТМ Б1586). С учетом эмпирических данных эта формула приобретает вид [69]:

^ = 10.0 ■ 1.327гЯаМ', (1.5)

где ЛГ — эмпирический коэффициент (=1.0 для глинистых пород, 2.5 для песчаных и 3.0 для гравелистых).

Вторая составляющая усилий продавливания - усилие сопротивления трения и сцепления по боковой поверхности обделки при ее продавлива-нии, которая различными исследователями определяется по разным зависимостям - как экспериментальным, так и теоретическим. Проектировщики в Японии используют достаточно общую теоретическую формулу [62,67]:

= {К^аЧ + + пИаС'}^ (1.6)

ц — нагрузка, действующая на поверхность трубы, кПа; //(— tg(0/2)) — коэффициент трения скольжения в системе

"труба-порода"; Ь — длина участка продавливания, м; О) — удельный вес трубы, кН/м;

С' — сцепление в системе "труба-порода" (8 кПа для N<10 и 5 кПа для N>10);

¡3 — понижающий коэффициент; ф — угол внутреннего трения, град.

Нагрузка q, действующая на боковую поверхность трубы, зависит от распределения нормального давления, обусловленного нагрузками от горного давления и от давления раствора, заполняющего строительный зазор при переборе породы. Этому вопросу посвящено значительное число публикаций [4- 6, 56,61,66, 76].

В работах [56, 61] сообщается о результатах полевых исследований при продавливании труб на 5 объектах с различными горно-геологическими условиями. Труба с приборным оборудованием была оснащена датчиками для измерения отклонений в стыках, датчиками контактных напряжений и порового давления и тензометрами.

Изучались отклонения в стыках, трение по поверхности в системе "труба-порода", распределение нормальных напряжений по поверхности труб, отклонения от проектной траектории,