Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров обделок и рациональной технологии возведения микротоннелей

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров обделок и рациональной технологии возведения микротоннелей"

На правах рукописи

ШКОЛЬНИКОВ Павел Вячеславович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБДЕЛОК И РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ МИКРОТОННЕЛЕЙ

Специальность 25.00.22 - «Геотсхнология (подземная, открытая, строительная)»

4041576

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-2011

2 4 МАР 2011

4841516

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Булычёв Николай Спиридонович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Сидорчук Виктор Куприянович

кандидат технических наук, доцент, Шульженко Сергей Николаевич

Ведущее предприятие - Закрытое акционерное общество «Тоннельпрое

(ЗАО «Тоннельпроект», г. Ту

Защита диссертации состоится «¿?(Р » ППВРАр 2011 г. в ^ час заседании диссертационного совета Д 212.271.04 Тульского государствен университета по адресу: 300600, г. Тула, проспект Ленина, 92, учебный ко 6, ауд. 220, тел./факс: +7(4872)35-20-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государ венного университета.

Автореферат разослан «О 7 » МО/д/Т?О. 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук,

доцент

А.Б. Копы

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возведение горнотехнических сооружений различного назначения с использованием технологии микротоннелировашм начало разви-. ваться в России с 1994 года. Первые опытные работы проводились в 60-х годах прошлого столетия, но были приостановлены. Строительство тоннелей методом микротоннелирования ведётся высокими темпами со скоростью 15 - 20 м в сутки и среднемесячной скоростью 150 - 300 м и более. При возведении тоннелей малого диаметра механизированным способом без присутствия людей в забое наиболее востребованы железобетонные трубы. В настоящее время большинство организаций при заказе обделок для строительства испытывают значительные трудности при выборе типоразмера труб для конкретных инженерно-геологических условий. Сложность выбора заключается в том, что, как правило, сооружение тоннелей ведётся на базе зарубежного опыта, часто не соответствующего отечественным условиям, требованиям и возможностям, а такие важные показатели как длина продавливаемого участка става труб и количество промежуточных домкратных станций принимаются преимущественно из имеющегося опыта проходки без надлежащего обоснования. Параметры объёмного арматурного каркаса, в том числе шаг навивки кольцевой арматуры, являются важными прочностпыми показателями обделки. Однако им уделяется недостаточно внимания в нормативной литературе, возникают практические вопросы с определением шага навивки и, следовательно, прочности обделки под конкретные нагрузки. Строительные организации и предприятия-изготовители труб часто закладывают необоснованно завышенные требования к прочности тоннеля, а это неизбежно ведёт к завышению стоимости строительства всего объекта. Таким образом, обоснование и расчёт параметров обделок микротоннелей в наиболее характерных инженерно-геологических условиях в зависимости от влияющих факторов при проходке тоннеля с учетом конструктивных особенностей самих труб являются актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках тематики Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанной федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013) (проект № 02.740.11.0319), а также аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (20092010)» (проект № 2.2.1.1/3942).

Цель работы заключается в установлении новых и уточнении существующих закономерностей взаимодействия системы «микротоннель - горный массив» для выбора и расчёта параметров обделок микротоннелей круглого поперечного сечения и обосновании рациональной технологии их возведения.

Идея работы заключается в установлении рациональных конструкций обделок микротоннелей и параметров технологии их продавливания на основании анализа и обобщения практического опыта строительства микротоннелей, установлении закономерностей взаимодействия системы «микротоннель - горный массив» с учётом инженерно-геологических условий строительства.

Методы исследований включают систематизацию, обобщение предшествующих исследований, а также анализ состояния вопроса и опыта прокладки бестраншейных коммуникаций. В работе использованы методы механики подземных сооружений, и выполнены вычислительные эксперименты для установления закономерностей формирования нормальных тангенциальных напряжений в крепи в процессе взаимодействия крепи с массивом пород.

Основные защищаемые положения.

1. Возникающие тангенциальные напряжения в поперечном сечении микротоннеля зависят от усилий домкратных станций, вызываемых продольными сжимающими силами, и механических характеристик окружающих пород.

2. Величина интервала между промежуточными домкратными станциями зависит от максимального осевого усилия, внешнего диаметра обделки (трубы), сцепления, коэффициента трения бетона о грунт (бентонитовую глину), веса погонного метра трубы и природного напряжённого состояния горных пород.

3. Напряженное состояние обделки микротоннеля зависит от безразмерных отношений модулей деформации материала крепи и пород (Е\/Ео), отношений радиусов трубы внешнего и внутреннего контуров сечения крепи (п/г2) и от усилия продавливания.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем.

1. Получены зависимости прочности обделки тоннеля, подверженной осевому давлению при продавливании, от диаметра и толщины трубы, параметров объемного армокаркаса в бетоне, в частности, от шага навивки кольцевой арматуры, коэффициента косвенного армирования, общей площади продольной арматуры, прочностных характеристик бетона и арматурной стали.

2. Установлена зависимость необходимого осевого давления при продавливании трубы от глубины заложения тоннеля, вертикальных напряжений в грунтовом массиве, диаметра тоннеля в проходке, длины става труб, сцепления и коэффициента трения бетона о грунт (или слой бентонитовой глины). Установлена корреляционная зависимость осевого давления от внешнего диаметра труб (коэффициент корреляции С = 0,9427).

3. Установлена зависимость предельно допустимой длины става труб между домкратными станциями от максимального усилия домкратной станции, выдерживаемого обделкой, и, соответственно, требуемое количество промежуточных дом-кратных станций, от инженерно-геологических характеристик пород при глубине заложения тоннеля до 30 м, длине тоннеля до 1500 м и внешних диаметрах труб от 600 до 2000 мм.

4. В результате вычислительного эксперимента с использованием компьютерной программы «РК2-М» установлены зависимости экстремальных значений нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контурах сечения крепи тоннеля от компонентов начального поля напряжений в ненарушенном массиве, геометрических размеров обделки и параметра с/, характеризуемого отношением внешнего радиуса к внутреннему с\ = Г[1г2, отношения модулей деформации (модулей сдвига) материала крепи и пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных положений и методов меха-

ники подземных сооружений, вычислительных экспериментов на ПК, сравнением результатов расчётов с данными натурных исследований других авторов (расхождение не превышает 15 %) и результатами внедрения в ЗАО «Тоннельпроект» при проектировании строительства третьей очереди канализационного коллектора в г. Ростов-на-Дону.

Научное значение работы заключается в обосновании, выборе и последующем расчёте рациональных вариантов параметров обделок микротоннелей, влияющих на взаимодействие железобетонной трубы с массивом пород, прокладываемой методом микротоннелирования на протяжении строительного (монтажного) и эксплуатационного периодов.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методических рекомендаций по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей», используемых при проектировании и строительстве тоннелей.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использованы в разработанных «Методических рекомендациях по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей», принятых и утвержденных в ЗАО «Тоннельпроект», и апробированы при строительстве канализационного коллектора в г. Ростов-на-Дону.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Ц-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ 2007 г., Ш-ей научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ, 2008 г., 3-ей Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» в ТулГУ, 2010 г.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 9 научных трудах, включая 5 статей, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 134 страницы текста, 30 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Технология микротоннелирования требует особого подхода к статическим расчётам обделок, принципиально отличающегося от традиционных методов расчёта подземных конструкций. В настоящее время, при обосновании параметров крепления горных выработок используются методы, основой которых являются «активные нагрузки» со стороны окружающих пород, задаваемые как исходные данные для расчета на основании имеющегося опыта. Эти традиционные методы расчета обделок тоннелей были в свое время единственными и отражены в классических работах П.М. Цимбаревича, А.П. Даушвили, Б.П. Бодрова, O.E. Бугаевой, С.С. Давыдова, А.П. Максимова, Б.Ф. Матэри, Н.М. Покровского, В.А. Гарбера, В.Е. Меркина, В.М. Мосткова, Е. Arioglu, Н. Duddeck, K.Terzaghi, и др.

В последние годы развитию методов расчёта параметров конструкций применительно к совместной работе крепи и пород посвящены работы Б.А Картозия, И.Д. Насонова, А.Г. Протосени, М.Н. Шуплика, Г.В. Гончарова, В.Н. Жукова, В.В. Макарова, A.C. Саммаля, И.И. Савина и др. Варианты технологии микротоннелирования отражены в работах И. А. Баславского, С.В. Виноградова, Л.М. Емельянова, Б.В. Калинского и др.

В технологии микротоннелирования существуют два основных способа прокладки тоннелей:

- использование щитовой проходки диаметрами до 2,0 м;

- использование технологии продавливания.

Микрощиты по праву занимают лидирующее место во всём многообразии бестраншейных технологий прокладки тоннелей, благодаря возможности проходки значительной протяжённости в разнообразных горно-геологических условиях.

На сегодняшний день большим спросом пользуются железобетонные трубы в различных исполнениях. Они предназначены для крепления микротоннелей, сооружаемых закрытым механизированным способом без присутствия людей в забое, и обладают высокой стойкостью к внешним и внутренним воздействиям окружающей среды.

Некоторую альтернативу железобетонным составляют стеклопластиковые трубы. Однако при максимальных напряжениях стеклопластиковые трубы, в отличие от железобетонных, не обеспечивают правильного круглого сечения в соответствии с требованиями проекта.

Стальные трубы, используемые в технологии прокола, имеют существенный недостаток - малый срок службы в связи с интенсивной коррозией, а использование нержавеющей стали экономически невыгодно.

Анализ известных технологических способов показал, что существующие методы крепления тоннелей малого диаметра не позволяют в полной мере обеспечить эффективное и безопасное крепление выработок неглубокого заложения. В связи с этим необходимым является уточнение расчёта конструкции арматурного каркаса железобетонной трубы на осевое и поперечное сжатие, рационального использования материала труб и установление закономерностей местоположения промежуточных домкратных станций.

Между трубой и массивом горных пород в период проходки формируется бентонитовый слой (рис. 1), снижающий трение и обеспечивающий уменьшение осевого усилия от домкратных станций на торцевую часть обделки.

Коллекторы, сооружаемые из труб и прокладываемые с применением бестраншейных технологий (микротонналирование, продавливание и др.), находятся в обойме грунтового массива, испытывающего естественное природное напряженное состояние. Деформации фунтового массива обусловлены нарушением равновесного состояния пород в период строительства тоннеля. В связи с этим становится возможным использовать в расчёте микротоннельных труб методы механики подземных сооружений, которые до настоящего времени применялись преимущественно к расчету крепи горных выработок и тоннелей.

а)

б)

ш шттшшшш тжжттшш

жжжтжтш шшжшшшш

Рис. 1. Расчётные схемы обделки микротоннеля, а - схема взаимодействия обделки с массивом пород; б - схема продольного погружения обделки; 1 — железобетонная труба; 2 — слой бентонитовой рубашки

Для определения напряжений в слоях обделки микротоннеля рассматриваются плоские контактные задачи теории упругости для многослойного кольца, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой однородной изотропной среде. Использование бентонитовой рубашки позволяет значительно снизить касательные напряжения на контуре железобетонной трубы и, как следствие, уменьшить осевые нагрузки от действия домкратных станций.

Армирование железобетонных микротоннельных труб осуществляется в следующих вариантах: спиральное или кольцевое армирование с внутренним расположением продольной арматуры в объёмном каркасе. Величина шага навивки арматуры в объёмном каркасе является важным прочностным параметром обделки микротоннелей. Конструкция арматурного каркаса проектируется и рассчитывается в зависимости от характера взаимодействия крепи с массивом пород под влиянием продольных нагрузок при продавливании труб.

На обделку тоннеля неглубокого заложения действуют нагрузки не только от массива горных пород, но и от автомобилей, железнодорожного транспорта и наземных сооружений.

Шаг навивки кольцевой арматуры в каждом из двух рядов объёмного каркаса определяется по формуле:

ЧЬ

где Д/ - шаг навивки кольцевой арматуры, м; д - равномерно распределённая нагрузка на метр полезной длины, Н/м; Ь - ширина сечения (по длине трубы), принимаемая в расчёте равной 1 м; кд ~ рабочая высота сечения арматурного каркаса в бетоне, м; <1 - диаметр кольцевой поперечной арматуры (8 - 12 мм); Л, - расчётное сопротивление арматуры растяжению, МПа.

Усилия от домкратной станции вызывают дополнительные осевые сжимающие продольные силы, которые в несколько раз превышают давление от вышележащего массива пород. Наличие объёмного арматурного каркаса обеспечивает прочность трубы.

Максимально допустимые осевые нагрузки по условию прочности трубы определяются по формуле:

Р-е<0,5-4-Г2(^+2^Х1+с1)+Як-4-Гус, (2)

где Р - осевое усилие домкратной станции, кН; е - случайный эксцентриситет осевого усилия; Кь - расчётное сопротивление бетона сжатию, кПа; /< - коэффициент косвенного армирования кольцевой арматурой, равный 0,015+0,02; Ду - расчётное сопротивление растяжению поперечной кольцевой арматуры, кПа; А/ - площадь поперечпого сечения обделки (трубы), м2; г2 - внутренний радиус обделки микротоннеля, м; - внешний радиус обделки микротоннеля, м; С] = г\1гц Я!С - расчётное сопротивление продольной арматуры сжатию, кПа; А2 - площадь сечения всей продольной арматуры в трубе, м2; гк - усредненный радиус расположения продольной арматуры, м.

При продавливании става железобетонных труб вслед за проходческим щитом усилие домкратных станций должно превышать сопротивление, возникающее при движении обделки по массиву пород. Необходимое усилие продавливания складывается из усилий, возникающих от трения става о грунт (или бентонитовой глины) под влиянием горного давления и собственного веса става, а также усилия сцепления става с грунтовым массивом и определяется по формуле:

Р = + жЬ^у, (с,2 -1)г22 + гС^Ь, (3)

Г Уп

где Н— глубина заложения тоннеля, м; у0- средний удельный вес вышележащего грунтового массива, кН/м3;/0- коэффициент трения бетона о грунт; Ь - длина става труб, м; у0 -коэффициент Пуассона; % - ускорение свободного падения; у1 - удельный вес материала крепи, т/м3; Со - сцепление железобетонного става труб с раствором бентонитовой глины, кПа.

На определённом этапе проходки протяжённых тоннелей сопротивление про-давливаншо значительно возрастает, и осевое давление на обделку от основной домкратной станции становится близким критическому. Во избежание разрушения продавливаемой трубы, в том числе её торцевой части, необходимо устанавливать промежуточные домкратные станции.

Длина одного става труб между домкратными станциями определяется на основе расчёта общего усилия продавливания по формуле:

( у и , , ч , V (4)

КА П/^' + Жк (с,2 -1)г22 +2/-А

V 1 уо

где Ь - длина става труб, м; К3 = 1,25 - технологический коэффициент, учитывающий запас мощности домкратной станции для преодоления непредвиденных препятствий.

В таблице приведено рекомендуемое количество домкратных станций в зависимости от инженерно-геологических характеристик грунтов, длины тоннеля и глубины его заложения для одного из наиболее применяемых типоразмеров железобетонных труб 01500 мм.

Таблица

Рекомендуемое количество промежуточных домкратных станций

Длина Порода Глубина заложения тоннеля, м

тоннеля, м 5 10 15 20

песок 1 1 2 3

150 суглинок 1-2* 2 2 3

глина мягкая 2 2 3 3-4*

песок 2 2 3 3

250 суглинок 2 2-3* 3 4

глина мягкая 3 3 4 5

песок 3 3 4 5

350 суглинок 3 4 4 4-5*

глина мягкая 4 4 5 5

песок 4 4 5 6

450 суглинок 4 5 5-6* 6

глина мягкая 5 5 6 6-7*

* — двойное значение показывает, что в данном случае возможна установка меньшего количества промежуточных домкратных станций с минимальным технологическим запасом по мощности или большего количества станций со значительным запасом в связи с возросшим сопротивлением продавливания става труб. Учитывая дороговизну промежуточных домкратных станций, окончательный выбор остаётся за строительной организацией.

ф

На основании расчёта крепи выработок круглого сечения при однослойной модели произведен вычислительный эксперимент для определения зависимости экстремальных значений нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения трубы микротоннеля от параметра с,, характеризуемого отношением

С] = г\!т2, и отношения модулей деформации материала трубы и пород Е^Ед, при по етоянетве марки бетона и конструкции арматурного каркаса (рис. 2). Рассматрива лись только эксплуатационные нагрузки после завершения проходческих работ, ко гда слой бентонита заполнил все имеющиеся пустоты и вывалы между массивом крепью тоннеля, затвердел и стал частью самого массива пород.

На основании полученных данных построены графики зависимостей для по следующего выбора конструкции обделок микрототнелей.

Если отношение модулей деформации материала обделки тоннеля и пород со ставляет Е^Ед =10 при коэффициенте бокового давления Л = 0,4, то рациональн толщина стенки трубы определяется отношением г/г 2 < 1,25.

При отношении модулей деформации материала обделки тоннеля и пород со ставляет Е;/Е0 =100 (рис. 2), рациональная толщина стенки трубы определяется от ношением 1,25 < г/г 2 < 1,3.

Ов-

СВ

ХуИ 10

-5

Прим I

\=0,{ )

< \=0,{ )

.1. 30

1 25 1'

1, 15 1, го

\

чо°( \=0,; )

С1

Рис. 2. Зависимость экстремальных значений нормальных тангенциальных напряжений от параметра С/ при Е/Е0 - 100.

На рис. 3 показано распределение осевых усилий на трубы диаметром 1500 м микротоннеля длиной 160 м. Величины нагрузок были получены опытным путём п окончании продавливания каждой трубы длиной 3 м в ставе в стартовом колодце н' реальных строящихся объектах.

В результате проведённых исследований и обобщения существующего опыт щитовой проходки разработаны «Методические рекомендации по обоснованию расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротон нелей».

На основе этих рекомендаций с учётом параметров обделки, горнотехниче ских условий, технологии производства работ, шага ар"мирования в объёмном арма турном каркасе, расчётной максимальной длины между домкратными станциями н рис. 4 показан график, демонстрирующий характер зависимости величины осевог давления от длины става железобетонных труб для различных диаметров микротон нелей.

Р, кН 3750

ч „ .20% запас мощности ПДС для преодоления непредвиденных препятствий V\

2500 --

1250 --

litt.

2ГШ

сдс

Р, кН 10000;

87507500 6250 5000 3750 2500 1250

ПДС 25

50

75 ПДС юо

фзц

125

150

L, м

Рис. В. Осевые усилия, создаваемые стартовой (СДС) и промежуточными (ПДС) домкратными станциями.

///,/,/,,,/,,,//,,/,/,//,//,//;,//,/у//у,.

02000

ПДС

ПДС

ПДС

/////////////////////////////////////////////

01500

"ПДС ПДС ПДС ПДС ПДС

ПДС/ . .. 0800

ПДС

ПДС

ПДС

- У'SS///SS'/////'S///'SS///'/уу уу/////////////.

ъ*^ . ■ 0600

ПДС

ПДС

ПДС

ПДС

ПДС

сдс

50

350

400 L, м

100 150 200 250 300

Рис. 4. Зависимость величины осевого усилия от диаметра продавливаемых труб и расположения ПДС.

ПДС - промежуточная домкратная станция;

— - рабочее осевое усилие;

--максимальное осевое усилие, с риском

разрушения трубы;

Шй - опасная зона;

СИ] - запас мощности ПДС (20%).

Проходку тоннелей целесообразно вести с осевыми давлениями до зоны ри ка, обеспечивающими 20% запаса мощности домкратной станции и позволяющим своевременно предусмотреть мероприятия по предупреждению возможных ослож нений.

В результате вычислительного эксперимента установлена зависимость макси мального осевого усилия продавливают от типоразмера труб для микротоннеле (коэффициент корреляции С = 0,9427):

Р = 2,451?49, (5

где Б - внешний диаметр трубы для микротоннелирования, м.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы бьи использованы при разработке «Методических рекомендаций по обоснованию и рас чёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротонне лей», которые утверждены ЗАО «Тоннельпроект» и использованы для расчёта пр ектных параметров строительства канализационного коллектора в г. Ростов-на Дону.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, которой изложены научно обоснованные решения по выбору и расчету параметре конструкций железобетонных обделок микротоннелей с объемным арматурны каркасом, прокладываемых путем продавливания в грунтовом массиве, на основ установленных зависимостей предельно допустимой длины ставов труб между пр межуточными домкратными станциями от механических характеристик грунтовог массива и величин максимальных усилий продавливания, что позволяет значитель но увеличить длину прокладываемых тоннелей и имеет существенное значение д: экономики страны.

Основные научные н практические результаты работы.

1. Разработаны и внедрены «Методические рекомендации по обоснованию расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротонне лей».

2. Установлена зависимость необходимого количества промежуточных дом кратных станций от инженерно-геологических характеристик грунтов, длины тон неля и глубины его заложения на основе расчёта общего сопротивления продавли-ванию става труб в массиве пород. Рекомендован метод выбора рационального расположения домкратных станций в тоннеле при проходке.

3. Установлена зависимость предела прочности трубы с учётом её конструк тивных особенностей и применяемого материала от величины осевого давлен! домкратной станции на обделку.

4. Установлена зависимость изменения прочности обделки, определяемой ве личиной шага армирования кольцевой арматуры объёмного каркаса, от напряжёшю-деформировашюго состояния массива пород, геометрических параметров трубы и расчётных сопротивлений бетона и арматуры.

5. Установлена зависимость изменения предельно допустимой длины става труб между домкратными станциями от максимального усилия домкратной станции на основе расчёта общего сопротивления продавливанию става труб в массиве пород.

6. Установлена зависимость изменения параметра ch характеризуемого отношением внешнего радиуса к внутреннему с\ = г\!г%, от безразмерных отношений модулей деформации материала крепи и пород (Е\/Е0) при различных вариантах коэффициента бокового давления X.

7. Установлена корреляционная зависимость максимального осевого усилия продавливания от типоразмера трубы; коэффициент корреляции составил С = 0,9427.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Булычёв Н.С., Школьников П.В. Математическое моделирование геомеханических процессов при выборе ж.б. труб для микротоннелирования. //Научно-технический журнал «Горный информационно-аналитический бюллетень» -Москва: Изд-во «Горная книга», N° 8,2010. - С. 82-89.

2. Школьников В.И., Школьников П.В. Определение прочности ж.б. трубы для микротоннелирования в массиве в зависимости от влияющих факторов, //специализированный научно-технический журнал «Горная промышленность» - Москва: Изд-во ООО НПК «Гемос Лимитед», №3,2010 - С. 44-48.

3. Школьников IIB. Обоснование параметров обделок и рациональной технологии возведения микротоннелей. //Специализированный научно-технический журнал «Горная промышленность» - Москва: Изд-во ООО НПК «Гемос Лимитед», №6,2010 - С. 53-54.

4. Булычёв Н.С., Школьников П.В. Выбор конструкции железобетонных труб дня микротоннелирования. // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 2. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 308-313.

5. Булычёв Н.С., Школьников П.В. Обоснование основных технологических параметров микротоннелирования на основе теории упругости и механики подземных сооружений. // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 300-307.

6. Школьников П.В., Школьников В.И. Расчёт (выбор) основных параметров железобетонных труб для микротоннелей в зависимости от горнотехнических условий строящихся объектов. // Журнал «Международное бетонное производство», CPI «Concrete Plant International», Изд-во «ad-media GmbH Industriestr», Кёльн, Германия, №3, май 2010, с. 106-107.

7. Школьников П.В., Школьников В.И. Обоснование параметров крепи микротоннелей и рациональной технологии их возведения - залог успеха на строящихся объектах. // Специализированный журнал «Российское общество бестраншейных технологий (РОБТ)» - Москва: Изд-во «ТИМР», №10, 2010 - С. 22-23.

8. Школьников П.В., Школьников В.И. Практическое применение теоретических научных исследований при возведении микротоннелей. // Специализирован-

ный журнал «Российское общество бестраншейных технологий (РОБТ)» -Москва: Изд-во «ТИМР», №1,2011 - С. 36-39.

9. Булычёв Н.С., Школьников П.В. Выбор конструкции и технологии возведения обделок тоннелей. // Материалы 3-ей Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства». - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.

Изд. лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать .02.2010 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ Тульский государственный университет 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Школьников, Павел Вячеславович

Введение.

1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования.

2. Обзор разновидностей труб для микротоннелирования.

2.1. Конструктивные особенности.

2.2. Инженерно-геологические условия применения.

2.3. Типоразмеры труб для микротоннелей

2.4. Виды проходок при использовании технологий микротоннелирования.

3. Анализ взаимодействия крепи микротоннеля с массивом пород .57 3 .1. Постановка задачи.

3.2. Общий случай напряжённо-деформируемого состояния упругого кругового кольца.

3.3. Напряжённое состояние кольца.

3.4. Определение напряжений на контактах слоёв в многослойном кольце.

3.5. Определение напряжений в слоях обделки микротоннеля.

4. Расчёты труб на действия различных нагрузок.

4.1. Расчёт труб на действия нагрузок, приложенных к земной поверхности.

4.2. Расчёт и выбор арматурного каркаса труб микротоннелей на действия расчётной нагрузки.

4.3. Расчёт труб на действия усилий от домкратной станции.

4.4. Расчёт максимально допустимой длины продавливания железобетонных труб между домкратными станциями.

4.5. Определение необходимого количества промежуточных домкратных станций.

4.6. Алгоритм расчёта. Пример расчёта.

5. Исследование зависимостей напряжений в обделке микротоннелей. Анализ полученных данных.

5.1. Вычислительный эксперимент «Определение зависимостей напряжений в обделке микротоннелей от толщины крепи».

5.2. Анализ полученного массива данных напряжений в обделке микротоннелей.

5.3. Анализ характера распределения осевого давления, создаваемого промежуточными домкратными станциями.

5.4. Исследование корреляционной зависимости осевого усилия продавливания от типоразмера трубы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров обделок и рациональной технологии возведения микротоннелей"

Возведение горнотехнических сооружений различного назначения с использованием технологии микротоннелирования начало развиваться в России с 1994 года. Первые опытные работы проводились в 60-х годах прошлого столетия, но были приостановлены. Строительство тоннелей методом микротоннелирования ведётся высокими темпами со скоростью 15 — 20 м в сутки и среднемесячной скоростью 150 - 300 м и более. При возведении тоннелей малого диаметра механизированным способом без присутствия людей в забое наиболее востребованы железобетонные трубы. В настоящее время большинство организаций при заказе обделок для строительства испытывают значительные трудности при выборе типоразмера труб для конкретных инженерно-геологических условий. Сложность выбора заключается в том, что, как правило, сооружение тоннелей ведётся на базе зарубежного опыта, часто не соответствующего отечественным условиям, требованиям и возможностям, а такие важные показатели как длина продавливаемого участка става труб и количество промежуточных домкратных станций принимаются преимущественно из имеющегося опыта проходки без надлежащего обоснования. Параметры объёмного арматурного каркаса, в том числе шаг навивки кольцевой арматуры, являются важными прочностными показателями обделки. Однако им уделяется недостаточно внимания в нормативной литературе, возникают практические вопросы с определением шага навивки и, следовательно, прочности обделки под конкретные нагрузки. Строительные организации и предприятия-изготовители труб часто закладывают необоснованно завышенные требования к прочности тоннеля, а это неизбежно ведёт к завышению стоимости строительства всего объекта.

Таким образом, обоснование и расчёт параметров обделок микротоннелей в наиболее характерных инженерно-геологических условиях в зависимости от влияющих факторов при проходке тоннеля с учетом конструктивных особенностей самих труб являются актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках тематики Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанной федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013) (проект № 02.740.11.0319), а также аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» (проект №2.2.1.1/3942).

7. Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования.

На территории Российской Федерации широко применяются различные способы бестраншейной прокладки коммуникаций, в общем объёме городского строительства они занимают около 25% [97].

Исходя из таких критериев как рентабельность, скорость ведения проходки, безопасность и защита окружающей среды метод механизированной бестраншейной прокладки тоннелей вытесняет традиционные методы тоннелирования с присутствием людей в забое. Только использование тоннелепроходческих машин - мобильных комплексов для проходки и возведения обделки тоннелей — позволяет осуществить высокоскоростное микротоннелирование в городских районах, под железными и автомобильными дорогами, прокладку дюкеров под реками, каналами, водоёмами, ручьями, различными инженерными сооружениями и аэродромами. Проходка микротоннеля не нарушает привычного хода жизни: прокладка ведётся под естественными преградами, полностью сохраняется городская среда обитания. Это особенно важно для крупных городов-мегаполисов с высокой плотностью населения, плотной городской застройкой, высоким уровнем движения транспорта и необходимостью создания благоприятной экологической обстановки в городе.

Прошедшие 17 лет показали высокую эффективность применения метода микротоннелирования. Сооружаются микротоннели высокого качества, готовые для функционального применения или прокладки в них необходимых инженерных коммуникаций. Полностью устраняется ручной труд, механизируется процесс прокладки труб, автоматизируется управление отдельными операциями, обеспечивается точная прокладка тоннелей в пределах ±25мм [97].

Первые опытные работы проводились в 60-х годах прошлого столетия, но были приостановлены (рис. 1).

По официальным данным из 700 тыс. км действующих в России подземных коммуникаций более половины поражены внутренней коррозией

Ь, км

9,8

1,6 Щиты диаметром Л ,5 м 1] не применялись

Годы О

1959

1960

1961

1962

Рисунок 1. Динамика применения в Москве щитов диаметром до 1,5 м. и другими дефектами, а 50 тыс. км коллекторов находятся в предаварийном состоянии [97]. Бестраншейные технологии прокладки микротоннелей наряду с оперативностью и экономичностью по сравнению с традиционными методами (проведение земляных работ с раскопкой траншей, заменой тоннеля новым) позволяют сохранить сложившуюся экологическую обстановку.

Строительство тоннелей методом микротоннелирования ведётся высокими темпами со скоростью 15-20 м в сутки и среднемесячной скоростью 150-300 м и более. Почти в четыре раза снижаются затраты труда по сравнению со строительством в траншеях и другими традиционными способами работ.

Все наиболее известные способы строительства инженерных сетей и коммуникаций (проходка тоннелей полумеханизированными щитовыми комплексами диаметром от 2 до 5,6 метров, продавливание стальных футляров, штольневая проходка, открытая прокладка коммуникаций в траншеях с креплением) по сравнению с микротоннелированием имеют ряд своих недостатков:

- высокая стоимость;

- низкие темпы ведения работ;

- проблематичность применения в стеснённых городских условиях;

- потребность в применении специальных способов работ при проходке в неустойчивых и обводнённых грунтах.

Тогда как преимущества бестраншейных технологий очевидны:

- значительное повышение уровня безопасности работ (отсутствие траншей и механизмов на трассе);

- ведение работ практически в любых горно-геологических условиях и на любой глубине;

- исключение дренажных работ;

- минимизация затрат за счёт сокращения сроков производства работ и уменьшения количества рабочего персонала;

- отсутствие затрат на восстановление повреждённых участков авто- и железных дорог, частей городской инфраструктуры;

- полная независимость от климатических условий;

- минимизация воздействия на флору и< фауну;

- сведение к минимуму перемещения плодородного слоя (гумуса);

- сохранение природного ландшафта в местах проведения работ;

- отсутствие ущерба лесным угодьям, национальным паркам, историческим памятникам;

- сокращение негативного влияния на условия проживания людей в месте проведения работ.

Микротоннелирование (рис. 2) - это технология бестраншейной прокладки подземных коммуникаций, исключающая необходимость проведения комплекса работ, связанных с традиционными технологиями. Она уже прочно занимает своё место в общем многообразии бестраншейных способов прокладки коммуникаций, санации и их инспекции (рис. 3). В отличие от метода ведения работ открытым способом, не требуется вскрытия поверхности по всей трассе прокладки коммуникаций, что неизбежно влечет за собой закрытие транспортного и пешеходного движения, вырубку садово-парковых насаждений и прочие негативные эффекты. В отличие от подземной проходки, применяющейся в настоящее время, эта технология не требует длительного подготовительного этапа.

Контейнер управления

I I I I 1 I

МП мм

I I I I I I

Рисунок 2. Микропроходческий комплекс.

Коммуникации прокладываются следующим образом. На проектируемой трассе через определённые расстояния организуются котлованы, стартовый и приёмный, глубина которых соответствует глубине прокладки коммуникаций. В стартовом котловане устанавливается мощная домкратная станция, на которую помещается проходческий щит.

С помощью домкратов осуществляется перемещение щита в грунте на длину устанавливаемой трубы. После этого домкраты занимают исходное положение, и затем на освободившееся место помещается следующая труба продавливания той же длины. Процесс повторяется. Дальнейшее перемещение до выхода щита в приемный котлован производится путём наращивания става труб отдельными звеньями, после чего щит демонтируется, микротоннель, сооружённый из труб, остаётся в массиве для дальнейшей эксплуатации.

Точность проходки осуществляется компьютерным комплексом управления с применением системы лазерного ведения щита. Меняя типоразмер проходческого оборудования, можно осуществить прокладку подземных микротоннелей различного диаметра от 300 мм до 2000 мм.

Технология микротоннелирования позволяет прокладывать коммуникации в любых классах грунтов - от неустойчивых суглинков и водоносных песков до скальных пород. В зависимости от класса грунтов подбирается соответствующий режущий орган, что позволяет добиться оптимальных скоростей и параметров проходки.

Комплексы построены по модульному принципу, что позволяет максимально сократить сроки монтажа оборудования, ремонта и за короткое время перебазировать их с одного объекта на другой.

Разработка грунта ведется режущим органом. Горная порода выносится из забоя гидротранспортом, поступая затем в сепаратор. Далее, из отстойника, расположенного на поверхности, вода по трубопроводу гидротранспорта подается питающим насосом в призабойную зону, где смешивается с разработанным грунтом и транспортным насосом по соединительным линиям подается в отстойник. В отстойнике происходит осадка грунта, после чего вода вновь используется в технологическом процессе, а осажденный грунт вывозится.

Поступательное движение проходческому щиту передается от домкратной станции через став труб, которые остаются в земле в качестве микротоннеля для использования под различные коммуникации.

Проходческий щит имеет управляемую головную часть, что позволяет изменять направление движения щита и прокладывать трубопроводы, как по прямым, так и по криволинейным трассам.

Широкое применение данного метода позволяет повышать надежность прокладываемых трубопроводов, экономить средства, сокращать сроки строительства и не наносить вреда окружающей среде. Герметичность прокладываемого става труб обеспечивается системой резиновых уплотнений, расположенных на торцевых участках. Специальная прокладка из дерева или ДСП выполняет функцию демпфера для перераспределения осевых давлений, получаемых от домкратной станции, и предохраняет стыки труб продавливания от разрушения, особенно при проходке по криволинейным траекториям.

Трубы, уложенные методом микротоннелирования, находят самое разнообразное применение. Они могут быть использованы в качестве водопроводных, канализационных, дренажных, нефтепроводных, газопроводных, теплофикационных, водопропускных под авто- и железными дорогами, а так же трубопроводов гидроэлектростанций.

При микротоннелировании используются железобетонные, бетонные, керамические, стеклопластиковые, стальные и композитные трубы широкого диаметрального диапазона.

Учитывая расположение коммуникаций и технологию их прокладки, основополагающей является устойчивость подземного сооружения в недрах земной коры, т.е. взаимодействие обделки тоннеля с массивом горных пород.

Впервые исследовал горное давление в выработках неглубокого заложения французский инженер Сюке. На основании практических наблюдений им сделаны выводы, что при небольшой глубине заложения выработки осадка грунта над ней доходит до дневной поверхности. В результате осадки образуется клинообразное грунтовое тело, частично передающее свой вес на крепь и частично в виде нормального давления на поверхность скольжения.

Исследования проявления горного давления на подземные сооружения, основанные на методах теории упругости, были выполнены А.Н. Динником, А.Б. Моргаевским и Г.Н. Савиным и др. При решении этой задачи авторы рассматривали массив горных пород как упругую невесомую плоскость, к границам которой приложена равномерная распределённая нагрузка, но при этом не учитывали происходящие в массиве неупругие деформации, которые в несколько раз больше упругих.

В настоящее время при проектировании тоннелей различного назначения для определения напряженного состояния обделок и оценки их прочности используются расчетные (аналитические или численные) методы, лабораторные исследования, результаты натурных наблюдений и измерений.

Приведённый в работе [4] анализ методов расчета обделок тоннелей основан на моделировании массива грунта линейно-деформируемой изотропной, анизотропной, вязкоупругой или упругопластической средой.

В этой же работе можно увидеть реальное геологическое строение массива грунта — слоистость, неоднородность, наличие нарушений, сплошности.

Достоинствами аналитических методов расчета является их общий характер, удобство подготовки исходных данных, возможность быстро и эффективно производить многовариантные расчеты с высокой степенью точности в целях практического проектирования.

Широкое применение современных ПК в практике проектирования подземных сооружений сделало возможным также использование численных методов, например, метода конечных элементов или метода конечных разностей. Эти методы позволяют учитывать сложное строение массива грунта, различие физических свойств слагающих массив слоев, разнообразие форм, размеров, взаимного расположения выработок. При расчетах могут учитываться пластичность, локальные нарушения в массиве. Однако применение этих методов в практическом многовариантном проектировании конструкций подземных сооружений осложняется большой трудоемкостью подготовки исходных данных для расчетов и необходимостью достаточно подробного разбиения как области, моделирующей массив грунта, так и сравнительно тонких колец, моделирующих обделки, в особенности, если они многослойные. Это объясняется тем, что недостаточно густая сетка разбиения или недостаточно большая рассматриваемая область среды по сравнению с поперечными размерами тоннеля, особенно когда область полубесконечна и имеет на поверхности нагрузки, моделирующие вес зданий или сооружений, могут привести к значительным погрешностям расчета, существенно искажающим его результаты. Использование методов ограничивает также сложность интерпретации результатов, необходимость применения ПК достаточно высокого класса. Нормативными документами [66] рекомендуется использовать метод конечных элементов лишь для расчета сложных подземных сооружений при детально изученном геологическом строении окружающего массива грунта, когда невозможно воспользоваться методами расчета, основанными на аналитических решениях.

В ряде случаев для оценки напряженно-деформированного состояния массива грунта и обделки тоннеля применяются натурные исследования, включающие как механические, так и геофизические методы. Однако их практическая реализация требует большого объема предварительных работ, измерения производятся в конечном числе точек поверхности обделок или массива грунта. Указанные методы не всегда обеспечивают достаточно высокую точность получаемых результатов. Но экспериментальные исследования имеют важное значение, т.к. их данные могут быть использованы для сопоставления и оценки достоверности результатов, получаемых теоретическими методами, что служит совершенствованию последних.

Наряду с натурными исследованиями напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей и окружающего массива применяются методы лабораторного (физического) моделирования: метод фотоупругости (поляризационно-оптический метод), метод эквивалентных материалов. Достоинства этих методов заключаются в возможности изменения нагрузок, раздельного изучения влияющих факторов, многократного повторения опытов. Эти методы особенно эффективны при прогнозировании конструктивных решений поведения сооружений различных форм.

Однако использование метода фотоупругости ограничено весьма узким диапазоном изменения модулей упругости и коэффициентов Пуассона применяемых оптически активных материалов, что в ряде случаев не позволяет произвести требуемые эксперименты для реальных соотношений деформационных характеристик материалов обделки и массива.

Моделирование методом эквивалентных материалов основано на замене естественных грунтов массива и материалов конструкции такими материалами, показатели физико-механических свойств которых находятся в определенных соотношениях с аналогичными показателями тех же свойств у реального объекта. Эти соотношения определяются на основании теории механического подобия и обеспечивают аналогию процессов, протекающих в реальной конструкции и в модели.

Модель можно довести до разрушения, что дает возможность получить информацию о характере работы изучаемой конструкции, оценить ее несущую способность.

Метод эквивалентных материалов эффективен при изучении процессов, происходящих в грунтовом массиве при нарушении его выработкой. Однако непосредственно в конструкции, выполненной из эквивалентного материала (полимерные материалы, гипс), затруднительно получить данные о распределении напряжений в любом интересующем исследователя сечении. Задача особенно осложняется при моделировании конструкций, включающих большое число элементов.

При моделировании работы сложных подземных конструкций, расположенных в слабых малосвязных грунтах, могут использоваться преимущества обоих методов. С этой целью обделку подземного сооружения изготавливают из оптически чувствительного материала, исследуют напряжения в ней поляризационно-оптическим методом, а грунтовый массив моделируют с помощью эквивалентных материалов. Такой приём построения модели называются комбинированным методом моделирования, он применяется в современных исследованиях.

Опыты с использованием методов фотоупругости или эквивалентных материалов достаточно длительны и дорогостоящи, что затрудняет их использование при практическом проектировании, например при технико-экономическом сравнении нескольких вариантов проектных решений.

В течение длительного времени при расчете обделок тоннелей применялись традиционные подходы, основанные на рассмотрении обделки как обычной инженерной конструкции, включающие три стадии -определение внешней нагрузки на обделку, определение внутренних сил (напряжений) и проверку прочности конструкции. Обделка рассматривалась в виде рамы вне массива грунта, воздействие которого заменялось внешними нагрузками, либо как балка на упругом основании, испытывающая внешние ("активные") нагрузки и упругий ("пассивный") отпор со стороны основания. Расчет конструкций производился методами строительной механики. Эти работы содержат развитие идеи и метода расчета, разработанного Б.П. Бодровым и Б.Ф. Матэри, широко известного под названием метода Метрогипротранса.

В работе [10] рассмотрены расчеты сборных обделок коллекторных тоннелей, сооружаемых щитовым способом. Нагрузки задаются как активные, а расчет обделок тоннелей рекомендуется вести с учетом пассивного отпора грунта. Нагрузки от собственного веса грунта определяются в зависти от его типа (раздельно-зернистый, хрупко разрушающийся пластично деформирующийся) и условий достижения им предельного состояния. Гидростатическое давление грунтовых вод предложено считать изменяющимся по линейному закону. Нагрузка от зданий и сооружений на поверхности не учитывается.

Аналогичные подходы к расчету обделок тоннелей мелкого заложения используются и в других работах. Так, расчет сборно-монолитных обделок со связями растяжения производится по схеме кольца в упругой среде, воспринимающего активное вертикальное давление и равномерно распределенный горизонтальный отпор пород. Обделка коллекторного тоннеля моделируется стержневой шарнирной системой, деформирующейся под действием активной нагрузки (давления) и сохраняющей круглое поперечное сечение за счет отпора окружающего грунта. На нагрузку от свода обрушения рекомендуется рассчитывать подземные сооружения неглубокого заложения в зоне четвертичных отложений.

В работах Маковского Л.В. [51] рекомендуется расчет обделок тоннелей мелкого заложения проводить по методу Метрогипротранса, заключающемуся в представлении обделки как криволинейного бруса на упругом основании под действием нагрузки, приложенной к части периметра обделки (следствие применения гипотезы свода).

Гербером В.А. [30] разработана так называемая имитационная модель, используемая при расчете обделок тоннелей, учитывающая нелинейный характер зависимости между напряжениями и деформациями для некоторых материалов, применяемых в подземном строительстве. В основу модели положена статически неопределимая стержневая система, заменяющая монолитную обделку, в которой напряжения определяются методом сил.

Рассмотренным выше методам присущи следующие недостатки: не учитываются касательные напряжения на контакте обделки с массивом (попытки учета касательных контактных напряжений нельзя признать удачными); необходимость приложения "активных" нагрузок непосредственно к обделке, что приводит к качественному искажению эпюр внутренних усилий и резкому возрастанию расчетных величин изгибающих моментов.

В связи с этим получили развитие методы расчета обделок тоннелей, основанные на аналитических или численных решениях контактных задач теории упругости о взаимодействии подземной конструкции с массивом пород (грунта) и на рассмотрении совместной работы обделки и массива как единой деформируемой системы.

В настоящее время сформулированы и разработаны методы расчета замкнутых монолитных бетонных и железобетонных, многослойных и комбинированных обделок тоннелей произвольного поперечного сечения при статических, тектонических и сейсмических воздействиях. Эти методы предназначены для расчета тоннелей глубокого заложения, не испытывающих влияния поверхности.

В работах Н.С. Булычёва [16] использовано решение Н.И. Мусхели-швили для кольца и получены расчётные формулы для компонентов напряжений и перемещений. Метод коэффициентов передачи нагрузок не требует совместности перемещений на контактах передачи нагрузок, выражаемых рекуррентными формулами.

Из приведенного выше анализа методов расчета конструкций подземных сооружений следует, что, несмотря на наличие методов расчета монолитных (однослойных) обделок тоннелей мелкого заложения на различные виды нагрузок, а также многослойных обделок тоннелей неглубокого заложения (без учета влияния земной поверхности) детально рассмотренных методов расчёта многослойных обделок микротоннелей до последнего времени не было, или же они были выполнены с некоторыми неточностями.

В связи с этим цель работы заключается в установлении новых и уточнении существующих закономерностей взаимодействия системы «микротоннель — горный массив» для выбора и расчёта параметров обделок микротоннелей круглого поперечного сечения и обоснования рациональной технологии их возведения.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: проанализированы, систематизированы и обобщены предшествующие исследования, состояние вопроса и опыт прокладки бестраншейных коммуникаций методом микротоннелирования; рассмотрена зависимость напряжённо-деформированного состояния обделки микротоннелей от действия массива горных пород с учётом бентонитового слоя, уменьшающего трение става труб; установлена зависимость изменения прочности обделки, определяемой величиной шага армирования кольцевой арматуры объёмного каркаса, от напряжённо-деформированного состояния массива пород, геометрических параметров трубы и расчётных сопротивлений бетона и арматуры; определена зависимость прочности трубы от величины осевого давления домкратной станции на обделку с учётом работы количества колец и продольных стержней в объёмном арматурном каркасе; установлена зависимость предельно допустимой длины става труб между домкратными станциями от максимального усилия домкратной станции, выдерживаемого трубой, на основе расчёта общего сопротивления продавливанию става труб в массиве пород; установлена закономерность необходимого количества промежуточных домкратных станций от горно-геологических характеристик грунтов, длины тоннеля и глубины его заложения на основе расчёта общего сопротивления продавливанию става труб в массиве пород; рекомендован метод выбора рационального расположения домкратных станций в тоннеле при проходке; установлена зависимость параметра с/ микротоннеля, характеризуемая отношением радиусов с\ = г\/г2, от безразмерных отношений модулей деформации материала крепи и пород (Е\/Ео) при различных вариантах коэффициента бокового давления X; зависимость представлена в виде графиков; установлена корреляционная зависимость максимального осевого усилия продавливания от типоразмера трубы; коэффициент корреляции составил С = 0,9427; разработаны и внедрены Методические рекомендации по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей.

Разработанные «Методические рекомендации по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей», а также графические зависимости для выбора конструкции обделок микротоннелей утверждены и внедрены в ЗАО «Тоннельпроект» и использованы для расчёта проектных параметров строительства третьей очереди канализационного коллектора № 53 в г. Ростов-на-Дону по ул. Малиновского. Рекомендации могут быть использованы в других проектных организациях и на заводах по изготовлению труб для микротоннелирования, имеющих свой проектно-конструкторский отдел.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Школьников, Павел Вячеславович

Выводы. Напряженное состояние обделки (крепи) микротоннеля зависит от безразмерных отношений: модулей деформации материала крепи и пород (Е\/Ео), внешнего радиуса крепи к внутреннему (г\/г2), и не зависит от абсолютных размеров крепи, причём боковое давление при определённых условиях может отсутствовать.

В частности, когда модуль деформации материала обделки тоннеля отличается от модуля деформации массива пород в 10 раз, рациональная толщина стенки трубы при г/г2 < 1,25. Причём при X = 0,4 и г;/г2 — 1,25 боковое давление полностью отсутствует (рис. 24). Когда же модуль деформации материала обделки тоннеля отличается от модуля деформации массива пород в 100 раз, рациональной толщиной стенки трубы является отношение радиусов 1,3 > г ¡/г2 > 1,25. А при значениях коэффициента бокового давления X близких к 0,75 при толщине крепи в интервале 1,3 > г ¡/г2 > 1,25 напряжения в боковой части тоннеля также полностью отсутствуют (рис. 26).

5.3. Анализ характера распределения осевого давления, создаваемого промежуточным домкратными станциями

Учитывая, что технология микротоннелирования активно применяется в России только последние 16 лет и, как правило, сооружение тоннелей ведётся на базе зарубежного опыта, часто не соответствующего отечественным условиям, требованиям и возможностям, а такие важные показатели как длина продавливаемого участка става труб и количество промежуточных домкратных станций принимаются преимущественно из имеющегося опыта проходки часто на свой страх и риск. В связи с этим случаются ошибки в расчётах на осевые воздействия от домкратных станций, что влечёт за собой серьёзные проблемы в виде сооружения незапланированного шахтного ствола для извлечения проходческого щита.

На рисунке 27 представлена гистограмма распределения осевых усилий на трубы 01500 мм микротоннеля длиной 160 м. График показывает характер изменения нагрузок на каждом участке между промежуточными домкратными станциями. Значения нагрузок были получены опытным путём по окончании продавливания каждой трубы длиной 3 м в ставе в стартовом колодце на реальных строящихся объектах.

С установкой новой секции тоннеля — железобетонной трубы — возрастает общая длина става и, как следствие; сопротивление продавлива-нию, которое требуется преодолеть усилием от домкратных станций. В этой связи с каждой новой устанавливаемой трубой оно повышается.

Неравномерные значения усилий домкратных станций свидетельствуют о наличии разных горно-геологических условий или недостаточного давления в системе бентонитовой смазки, уменьшающее трение. В связи с чем, трение и сцепление обделки по грунту через слой бентонита значительно отличаются и как следствие меняется усилие продавливания.

В результате проведённых исследований с учётом параметров обделки, в том числе прочностных характеристик, горнотехнических условий, технологии производства работ, шага армирования в объёмном

2500

1250

0 СДС

ТТт-1

ПДС 25

1Ш

50

75 ПДС 100

Ш.

125

150

1, м

Р, кН 10000:

8750 •

Рисунок 27. Осевые усилия, создаваемые стартовой (СДС) и промежуточными (ПДС) домкратными станциями.

02000

СДС

100

150

200

250

300

350

400 1, м

Рисунок 28. Зависимость величины осевого усилия от диаметра продавливаемых труб и распложенияЛДС.

- рабочее осевое усилие;

- максимальное осевое усилие, с риском разрушения трубы;

У77Л - опасная; зона;

- запас мощности ПДС (20%). арматурном каркасе, расчётной максимальной длины между домкратными станциями, представлен график (рис. 28), демонстрирующий характер зависимости величины осевого давления от длины става железобетонных труб для различных диаметров микротоннелей.

График демонстрирует, что усилия значительно возрастают только до первой промежуточной домкратной станции, в связи с наращиванием става труб. Далее усилия остаются неизменными, что объясняется постоянной длиной става между станциями и приблизительно одинаковым сопротивлением продавливанию.

Анализируя графики, рекомендуется вести проходку тоннеля с осевыми давлениями до зоны риска, обеспечивающей 20% запаса мощности домкратной станции и позволяющей своевременно предусмотреть мероприятия по предупреждению возможных осложнений (например, связанных с преодолением препятствий, вынужденными простоями и, как следствие, повышенными усилиями при трогании и др.).

Представленные графики демонстрируют принцип работы технологии микротоннелирования, в частности, почему появляется значительное неравномерное осевое усилие на обделку от домкратной станции, каким образом оно возрастает и почему в определённый момент становится относительно постоянным. $ А. Исследование корреляционной зависимости осевого усилия продавливания от типоразмера трубы.

При выполнении работы были проведены замеры продавливающих усилий домкратной установки в стартовых шахтах на реальных строящихся объектах, из них выделены максимальные значения, с целью установления зависимости между осевым усилием продавливания и типоразмером обделки микротоннелей

В результате проведённой работы получены 110 замеров максимальных осевых усилий на объектах по сооружению микротоннелей различного внутреннего диаметра от 0,6 м до 2,0 м. Полученные результаты замеров сведены в таблицу для последующей обработки.

Заключение.

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные решения по выбору и расчету параметров конструкций железобетонных обделок микротоннелей с объемным арматурным каркасом, прокладываемых путем продавливания в грунтовом массиве, на основе установленных зависимостей предельно допустимой длины ставов труб между промежуточными домкратными станциями от механических характеристик грунтового массива и величин максимальных усилий продавливания, что позволяет значительно увеличить длину прокладываемых тоннелей и имеет существенное значение для экономики страны.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Разработаны и внедрены «Методические рекомендации по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей».

2. Установлена зависимость необходимого количества промежуточных домкратных станций от инженерно-геологических характеристик грунтов, длины тоннеля и глубины его заложения на основе расчёта общего сопротивления продавливанию става труб в массиве пород. Рекомендован метод выбора рационального расположения домкратных станций в тоннеле при проходке.

3. Установлена зависимость предела прочности трубы с учётом её конструктивных особенностей и применяемого материала от величины осевого давления домкратной станции на обделку.

4. Установлена зависимость изменения прочности обделки, определяемой величиной шага армирования кольцевой арматуры объёмного каркаса, от напряжённо-деформированного состояния массива пород, геометрических параметров трубы и расчётных сопротивлений бетона и арматуры.

5. Установлена зависимость изменения предельно допустимой длины става труб между домкратными станциями от максимального усилия

-121 домкратной станции на основе расчёта общего сопротивления продавливанию става труб в массиве пород.

6. Установлена зависимость изменения параметра С], характеризуемого отношением внешнего радиуса к внутреннему С] = г/г2, от безразмерных отношений модулей деформации материала крепи и пород (Е\/Ео) при различных вариантах коэффициента бокового давления X.

7. Установлена корреляционная зависимость максимального осевого усилия продавливания от типоразмера трубы; коэффициент корреляции составил С = 0,9427.

Достоверность научных положений и выводов диссертации обеспечивается применением современных положений и методов механики подземных сооружений, вычислительных экспериментов на ПК, сравнением результатов расчётов с данными натурных исследований других -авторов (расхождение не превышает 15 %) и результатами внедрения в ЗАО «Тоннельпроект» при расчёте проектных параметров строительства третьей очереди канализационного коллектора № 53 в г. Ростов-на-Дону по ул. Малиновского.

Дальнейшие исследования следует вести в области взаимодействия обделки тоннеля и массива пород с учётом наличия бентонитовой рубашки, т.е. влияния величины давления бентонитового раствора при прокачке за обделку на длину продавливания става труб, а также влияния повышенного стартового осевого усилия домкратных станций при длительном простое на обделку микротоннеля.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Школьников, Павел Вячеславович, Тула

1. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчёт магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость — М.: «Недра», 1982. 314 е., ил.

2. Анциферова Л.Н. Разработка метода расчёта многослойных обделок тоннелей мелкого заложения // Дис. канд. техн. наук. Тула: ТулГУ. — 1998.-180 с.

3. Араманович И.Г. О распределении напряжений в упругой полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием: Дис. канд. физ.-мат. наук. М.: 1955. -104 с.

4. Араманович И.Г., Фотиева H.H., Лыткин В.А. Вдавливание жесткого штампа в полуплоскость с круговым отверстием. В кн.: Контактные задачи и их инженерные приложения. Доклады конференции. - М.: 1969, С. 72-80.

5. Байков В.Н., Сигайлов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: учеб. Для вузов. 5-е изд., перераб. И доп. — М.: Стройиздат, 1991.-767 е.: ил.

6. Борисов В.Н., Синицкий Г.М. Совершенствование методов проектирования конструкций обделок и крепей коллекторных тоннелей//Тезисы докл. II Всесоюзной конференции «Проблемы механики подземных сооружений».- Тула.-1982. с. 194.

7. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. -М.: «Недра», 1973. 304 с.

8. Брик A.JI. Исследование воздействия грунтовой среды на звенья круглых труб // Сб. трудов / ЛИИЖТ. Л.: 1965. - вып. 243. - С. 120-164.

9. Булычев Н.С, Демин H.H., Макаров В.В. Расчет обделок напорных кол лекторных тоннелей вблизи земной поверхности. Шахтное строительство, 1984, №9. -С. 18-19.

10. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений достижения и проблемы // В кн.: Проблемы механики подземных сооружений / Тезисы II Всес. научн. конф. - Тула: ТулПИ, 1982. - С. 2-3.

11. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. Учеб. пособие для вузов. — М.: Недра, 1989. 270 с.

12. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. -М.: Недра, 1982. 240 с.

13. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. — М.: Недра, 1994. 382 с.

14. Булычев Н.С, Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. - 228 с.

15. Булычёв Н.С., Школьников П.В. Выбор конструкции железобетонных труб для микротоннелирования. // Известия Тульского Государственного Университета. Серия: «Науки о Земле». Выпуск 2. — Тула: Изд-во-124

16. Гриф и К», 2010, с. 308-313.

17. Булычёв Н.С., Школьников П.В. Математическое моделирование геомеханических процессов при выборе ж.б. труб для микротоннели-рования. // Научно-технический журнал «Горный информационно-аналитический бюллетень», №8, 2010, с. 82-89.

18. Буропшековые установки «Bohrtec». Каталог продукции. 2009.

19. Васильев С.Г. Подземное строительство неглубокого заложения. — Львов: Вища школа. Изд-во при Львов, ун-те, 1980. -143 с.

20. Виноградов C.B. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. М.: Стройиздат, 1980. -135 с.

21. Виноградов C.B. Расчет подземных труб на прочность / Московский гидромелиоративный институт, 1980. 151 с.

22. Гербер В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учётом технологии их сооружения//Научно-Исследов. Центр «Тоннели и метрополитены» АО ЦНИИС. В 2-х кн. М. - 1996.-125

23. ГОСТ 25246-82*. Бетоны химически стойкие. Технические условия.

24. ГОСТ 539-80. Трубы и муфты асбестоцементные напорные, технические условия.

25. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н. и др: Моделирование в геомеханике. М. Недра: 1991.-240 с.

26. Гуджабидзе И.К. Расчёт подземных сооружений в условиях влияния рельефа поверхности земли // Известия вузов. Горный журнал. -1992. №6.-с. 52-57.

27. Демин H.H., Макаров В.В. Некоторые особенности расчета обделок коллекторных тоннелей неглубокого заложения. В кн.: Механика подземных сооружений. - Тула, 1984. - С. 119-126.

28. Завриян Е.Г. Исследование давления горных пород в тоннелях. -Известия АН АрмССР. Науки о Земле. -1976. т. 29. - № 3. - С. 63-69.

29. Иватанова Н.П., Шульженко С.Н. Совершенствование организационно-технических и экономических параметров при проектировании подземных коммуникаций. Тула: Тульский полиграфист, 2004.112 с.

30. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Исследование и разработка методики проектирования основных параметров сборных обделок коллекторных тоннелей // В кн.: Проектирование и строительство коммунальных-126тоннелей. М | Изд-во МГИ, 1975. - С. 138-146.

31. Копылов С.И. «Расчёт несущей способности обделки железобетонной трубы 01100 мм при сооружении канализационного коллектора в городе Зеленограде с применением микрощитового комплекса» Тула: ТулГУ, каф. СПС 2002г.

32. Кочетыгов A.A. Статистика: учеб. пособие / Тула, Изд-во ТулГУ, 2003.-292 с.

33. Кочетыгов A.A. Теория вероятности и математическая статистика: учеб. пособие / Тула, Изд-во ТулГУ, 2006. - 320 с.

34. Латышев В.А. Напряжённое состояние массива пород вокруг выработки с одной осью симметрии неглубокого заложения, нагруженной внутренним равномерным давлением // Механика подземных сооружений. Тула: ТулПИ. - 1994. -С. 127-137.

35. Латышев В.А. Расчёт обделок гидротехнических тоннелей мелкого заложения на действие собственного веса горных пород // Гидротехническое строительство. 1996. - №6. - С. 14-15.

36. Макаров В.В. Разработка методики расчета обделок коллекторных тоннелей неглубокого заложения с учетом контактного взаимодействия с массивом пород: Дис. канд. техн. наук (05.5.04). Тула: ТулПИ, 1985. -127 с.

37. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М.: Стройиздат. - 1979 - 427 с.

38. Маковский Л.В. Проектирование автодорожных и городских тоннелей. — М.: Транспорт, 1993. 352 с.

39. Маковский Л.В. Экономичные способы строительства тоннелей мелкого заложения // Метрострой . — 1989. №4. - С. 30-32.

40. Максимов Г.М. и др. Строительство подземных инженерных сетей / Г.М. Максимов, П.В. Герцман, С.А. Вртанян. Клев: Будовелышк,1980.-95 с.

41. Малицкий М.С., Куканов В.И. Проектирование и строительство подземных инженерных сетей: Учебное пособие / Моск. автомоб. дор. ин-т. М.: МАДИ, 1987. - 50 с.56. «Метод опережающего ударного бурения в строительстве нефтепроводов». Журнал «РОБТ», №5, 2009.

42. Миллерман А.С. Муравская Е.Г. Расчётные модели для проектирования тоннелей с использованием НАТМ // Подземное и шахтное строительство. — 1993. № 1-2. С. 35-37.

43. Минаев В.И. Перспективы развития техники для бестраншейной прокладки трубопроводов // Механизация строительства. — 1993. №7. с. 6-7.

44. Михлин С.Г. и др. Граничные интегральные уравнения и задачи теории упругости : Учеб. пособие С.Г. Михлин, Н.Ф. Морозов, И.В. Паукшто, ЛГУ им. А.А. Жданова. Л. ЛГУ, 1986. - 87 с.-128

45. Молчанов Ю.А. Строительство коммунальных тоннелей закрытыми способами / Сост. Ю.А. Молчанов, Е.Я. Иванов-Тарасов, Г.С. Эгкин. -M 1973.-84 с.

46. Мосинжпроект. Каталог продукции. 2009.

47. Осетрова О.В., Булычев Н.С. Расчет труб, прокладываемых в грунте бестраншейным способом. Материалы науч.-практич. конф. «Геотехнологии на рубеже XXI века». - Новосибирск: 1999. - С. 154 - 155.

48. Осетрова О.В. Метод расчёта труб, прокладываемых с применением бестраншейных технологий//Дис. канд. техн. наук. — Тула: ТулГУ. -1999.- 130 с.

49. Основания, фундаменты и подземные сооружения. МГСН 2.07-97. -М.: Изд.Правительство Москвы, 1998.74. «Оценка дополнительных усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования». Журнал «Подземное пространство мира» №2-3, 2004.

50. Померанец В.Н. Оптимальное проектирование железобетонных труб на основе метода статических испытаний / Институт кибернетики им. В.М.Глушкова АН УССР. Киев: 1985. - 18 с.

51. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных-129конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84).

52. Рацлавски Я. Подземные технологии при строительстве и реконструкции инженерной сети города // Подземное и шахтное пространство. 1993. № 1 - 2. - С. 41 - 44.

53. Руководство по проектированию коммуникационных тоннелей и каналов. -М.: Стройиздат, 1979. 70 с.

54. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИИ горн, геомеханики и маркшейд. дела. — М: Стройиздат, 1983.-273 с.

55. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика): Технический учебник-справочник М.: ПрессБюро №1, 2005. - 304 с.

56. Рыжков П.А. Математическая статистика в горном деле: учеб.пособие / М.: МИРиГЭ, 1965. - 189 с.

57. Саммаль A.C. Расчёт монолитной железобетонной крепи подземных сооружений // Механика подземных сооружений. ТулГУ. — 1995. — С. 43 48.

58. Сенкевич Т.П., Рагольский С.З., Померанец В.Н. железобетонные трубы. Под ред. С.З. Рагольского. -М.: Стройиздат, 1989. 272 е., ил.

59. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы / Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-200с.

60. Справочник «Бестраншейные технологии в России» М.: ТИМР, 2006 -305 с.

61. Строительство горных выработок и городских подземных сооружений / Сб. научн. трудов по проблеме «Научные основы проектирования и строительства шахт и подземных сооружений». М.: 1982. - 112 с.

62. Строительство городских подземных сооружений / Сб. научн. трудов. -М.: МГИ, 1984. -104 с.

63. Строительство подземных сооружений в условиях городской застрой-131 ки // Сб. трудов / Отв. ред. Картозия Б.А. М.: МГИ, 1987. -143 с.

64. Фадеев А.Б., Бабанов В.В. Подземные сооружения: Учеб. пособие JL: ЛИИСП, 1987. 144 с.

65. Фотиева H.H., Афанасова О.В. Расчёт круговой крепи подземных сооружений в неоднородном массиве на действие собственного веса- 132грунта // Подземное и шахтное строительство. 1991. - С. 22 - 23.

66. Фотиева H.H., Анциферова Л.Н. Расчёт многослойных обделок тоннелей мелкого заложения. / Механика подземных сооружений. Сб. научных трудов. Тула: 1997. С. 9-25.

67. Фотиева H.H., Козлов А.Н. Расчёт крепи параллельных выработок в сейсмических районах. М. - Недра. - 1992. - 231 с.

68. Фролов Ю.С. Крук Ю.Е. Метрополитены на линиях мелкого заложения. Новая концепция строительства. М.: ТИМР. 1994. -244 с.

69. Шейнин В.И. Савицкий В.В. Численно-аналитическое решение контактной задачи теории упругости о напряжённом состоянии упругого кольца в неоднородной плоскости. — 1990. №5. — С. 41

70. Школьников В.И., Школьников П.В. Определение прочности ж.б. трубы для микротоннелирования в массиве в зависимости от влияющих факторов. // Журнал «Горная промышленность», №3, 2010, с. 44-48.

71. Школьников П.В. Расчёт обделок тоннелей, сооружаемых методом микротоннелирования // II Магистерская научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007, с. 154.

72. Школьников П.В. Типология обделок микротоннелей // III Магистерская научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007, с. 127.

73. Директор ЗАО «Тоннельпроект» (г. Тула)1. С.А. Василенкооб использовании результатов диссертационной работы Школьникова Павла Вячеславовича «Обоснование параметров обделок и рациональной технологии возведения микротоннелей»