Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода прогноза напряженно-деформированного состояния обделок транспортных тоннелей в нарушенном массиве

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода прогноза напряженно-деформированного состояния обделок транспортных тоннелей в нарушенном массиве"

На правах рукописи

БЕЛЯКОВ Никита Андреевич

ч

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛОК ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ В НАРУШЕННОМ МАССИВЕ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 щ? Ш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005013414

005013414

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Протосеня Анатолий Григорьевич Официальные оппоненты:

Господариков Александр Петрович

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный горный университет, заведующий кафедрой высшей математики

Коньков Александр Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Петербургский государственный университет путей сообщения, заведующий лабораторией моделирования тоннелей

Ведущее предприятие - ОАО «НИПИИ «Ленметроги-протранс».

Защита состоится 45 апреля 2012 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (Ьо-gusl@spmi.ru), ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 12 марта 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

БОГУСЛАВСКИЙ Э.И.

Актуальность работы.

В последние годы в Российской Федерации произошла активизация процессов освоения подземного пространства. В наибольшей степени это характерно для городов-мегаполисов Москвы и Санкт-Петербурга, а также, в связи со строительством значительного количества транспортных тоннелей Олимпийской трассы, для района Северного Кавказа.

Условия плотной городской застройки или складчатый рельеф земной поверхности вызывают необходимость строительства транспортных тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях. Районы строительства зачастую являются опасными по проявлению сейсмической активности и их сейсмичность составляет обычно не менее 9 баллов.

Значительные по протяженности участки транспортных тоннелей строятся в тектонически нарушенном вмещающем массиве, характеризующемся высокой степенью нарушенное™ и низкими деформационно-прочностными показателями.

Задача определения нагрузок на обделку тоннелей большого поперечного сечения решалась К.П. Безродным, Б.А. Картозией, Н.С. Булычёвым, В.А. Грабером, В.Е. Меркиным, Н.И. Кулагиным,

A.Г. Протосеней, Г.А. Скобенниковым, H.H. Фотиевой, Ю.С. Фроловым, Д.М. Голицынским, Ю.Н. Огородниковым, А.Н. Панкратенко,

B.М. Мостковым, А.Н. Коньковым, М.О. Лебедевым, Р.И. Ларионовым и другими.

Существующие методы прогноза процессов деформирования, протекающих во временной крепи и постоянной обделке, а также геомеханических процессов в тектонически нарушенном массиве не учитывают многообразие факторов, влияющих на их развитие. Непосредственно сами эти процессы на сегодняшний день являются недостаточно изученными. Эти обстоятельства обуславливают актуальность темы диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости транспортных тоннелей большого поперечного сечения в тектонически нарушенном массиве.

Ипея работы: повышение несущей способности тектонически нарушенного породного массива должно выполняться его армированием опережающей анкерной крепью с учетом технологии строительства тоннеля и прочностных свойств пород.

Основные задачи исследования:

• выявление особенностей строения и основных параметров зон тектонически нарушенного массива;

• проведение натурных наблюдений за проявлением горного давления в транспортных тоннелях на участках тектонически нарушенного массива;

• численное моделирование напряженно-деформированного состояния временной крепи тоннеля с учетом технологии строительства тоннеля в тектонически нарушенном массиве;

• разработка метода определения параметров напряженно-деформированного состояния постоянной обделки тоннеля при сейсмическом воздействии в тектонически нарушенном массиве;

• разработка рекомендаций по определению параметров опережающей анкерной крепи забоя тоннеля при строительстве в тектонически нарушенном массиве.

Методы исследований.

Исследование прочностных и деформационных свойств горных пород вмещающего массива в лабораторных условиях; конечно-элементное моделирование геомеханических процессов в породном массиве и элементах крепи тоннеля; инструментальные наблюдения за напряженно-деформированным состоянием временной крепи транспортных тоннелей в натурных условиях.

Научная новизна работы:

• установлены закономерности формирования зоны предельного состояния пород тектонически нарушенного массива впереди лба забоя тоннеля в зависимости от степени их упрочнения фиберглассовыми анкерами;

• установлены закономерности формирования напряжений в элементах арко-бетонной временной крепи с учетом пространственного характера её работы и основных этапов строительства тоннеля с применением уступного способа;

• определены закономерности распределения напряжений в

постоянной обделке тоннеля от сейсмического воздействия в тектонически нарушенном массиве.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель прогноза напряженно-деформированного состояния временной крепи тоннеля должна учитывать пространственный характер работы её конструкции, влияние рельефа земной поверхности и основные этапы технологии строительства тоннеля.

2. Метод прогноза напряженно-деформированного состояния постоянной обделки тоннеля должен учитывать взаимодействие системы «обделка-крепь-массив», а при сейсмическом воздействии от землетрясения - угол наклона направления распространения сейсмических волн к вертикальной оси тоннеля.

3. Анкерную крепь лба забоя тоннеля следует размещать преимущественно вблизи ядра сечения, а её параметры определять исходя из конфигурации и размеров зоны предельного состояния пород впереди лба забоя.

Практическая значимость работы:

• разработан метод определения параметров опережающей крепи лба забоя тоннеля из фиберглассовых анкеров;

• разработаны рекомендации по оптимизации конструкции арко-бетонной временной крепи с учетом особенностей формирования напряженно-деформированного состояния в её элементах при уступном способе строительства тоннеля.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается использованием при испытании горных пород современного прессового оборудования «Лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород «Научного центра геомеханики и проблем горного производства СПГГУ»; применением современного численного метода моделирования - метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе БшшНа АЬацш; сходимостью результатов численного моделирования с данными натурных исследований и с результатами, полученными с применением аналитических методик.

Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных

5

международных форумах молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГУ «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009-2011 г.); заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами СПГГУ и получили одобрение.

Личный вклад автора заключается: в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов; в постановке задач конечно-элементного моделирования; в разработке конечно-элементных моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке метода определения параметров опережающей крепи лба забоя тоннеля в тектонически нарушенном массиве; в сопоставлении результатов численного моделирования с данными натурных наблюдений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 221 странице машинописного текста, содержит 5 глав, введение и заключение, список использованной литературы из 101 наименования, 88 рисунков и 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведены данные о тектоническом строении сейсмически опасных районов Российской Федерации. Выполнены обзор технологий строительства тоннелей в тектонически нарушенном массиве и анализ существующих аналитических методик расчета обделок и прогноза устойчивости породных обнажений лба забоя тоннелей. Сформулированы цели и задачи исследования.

В главе 2 приведены методика и результаты лабораторных испытаний образцов горных пород, методика выполнения сейсмоакустических исследований, выполнена обработка и интерпретация полученных данных по результатам обследования транспортных тоннелей. Обоснованы деформационно-прочностные

характеристики пород тектонически нарушенного массива, необходимые при моделировании.

В главе 3 выполнены численное моделирование и анализ работы временной арко-бетонной крепи железнодорожного тоннеля в тектонически нарушенном массиве. Выполнено сопоставление результатов численного моделирования с данными натурных наблюдений за развитием напряженно-деформированного состояния бетона временной крепи и разработано усовершенствование её конструкции.

В главе 4 выполнен анализ существующих аналитических методик для определения напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей и численное моделирование работы обделки некругового очертания при сейсмическом воздействии. Дана оценка результатов аналитических расчетов и численного моделирования.

В главе 5 обоснован метод определения параметров опережающей анкерной крепи лба забоя тоннеля на основании численного моделирования. На примере железнодорожного тоннеля №4 на участке Адлер - горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» определены параметры упрочнения массива впереди лба забоя тоннеля.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Математическая модель прогноза напряженно-деформированного состояния временной крепи тоннеля должна учитывать пространственный характер работы её конструкции, влияние рельефа земной поверхности и основные этапы технологии строительства тоннеля.

При строительстве транспортных тоннелей большого поперечного сечения уступным способом в тектонически нарушенном массиве широкое распространение получила арко-бетонная временная крепь, представляющая комбинацию из двутавровых арок с определенной плотностью расстановки, с заполнением межрамного пространства бетоном.

Для определения напряженно-деформированного состояния системы «крепь - массив» с учетом влияния рельефа земной использовалось моделирование методом конечных элементов.

Рис. 1. Расчетная схема конечно-элементной модели

Объектом моделирования был выбран участок жел езнодорожного тоннеля №2, проводимый на глубине 35 м в тектонически нарушенных известняках. Деформационные характеристики пород принимались следующими: модуль общей деформации Ео=1670МПа, коэффициент Пуассона у=0,3. Деформационно-прочностные характеристики материалов временной крепи (сталь С275, бетон В25) принимались равными расчетным характеристикам согласно ГОСТ.

Расчетная схема пространственной конечно-элементной модели представлена на рис. 1. Граничные условия: модели запрещались смещения по нижней грани - в направлении оси 2, по боковым граням - в направлении оси X, по торцевым граням - в направлении оси У, верхняя грань модели - свободно деформируемая. Начальное поле напряжений определялось согласно гипотезе А.Н. Динника.

Конечные значения поля смещений вычислялись без учета смещений, имевших место до проведения выработки. Поведение материалов тоннельных конструкций описывалось моделью линейно деформируемого тела.

Моделировалась следующая последовательность строительства тоннеля:

1. Проходка и временное крепление калотты тоннеля (рис. 2, позиция I). Технологический этап строительства тоннеля моделируется за 50 расчетных шагов. Отставание установки арок от лба забоя не превышает 1 м, а бетона -2 м;

2. Проходка и временное крепление штроссы тоннеля (рис. 2, позиция II).

Процесс изменения напряженного состояния элементов конструкции временной крепи контролировался анализом развития напряжений в точках 1-5 (рис. 3).

Графическая зависимость, отражающая изменение сжимающих напряжений на внутреннем контуре бетона временной крепи, представлена на рис. 4.

На этапе проходки калотты имеет место резкое увеличение сжимающих напряжений в бетоне свода (точка 1) и боков (точки 2, 3) временной крепи, интенсивность роста которых уменьшается по мере удаления забоя калотты (рис. 4). К концу этапа I (раскрытие калотты) сжимающие напряжения Рис. 2. Схема основных этапов проходки

составляют в точках 1, 2 тоннеля

и 3 соответственно 1,2 МПа, 3,2 МПа и 2,3 МПа. На данном этапе сжимающие напряжения в бетоне боков временной крепи превышают напряжения в своде.

После раскрытия штроссы в сечении и при удалении забоя штроссы от него в точках 2 и 3 возобновляется постепенно замедляющийся процесс роста напряжений. В конечном итоге, величина сжимающих напряжений стабилизируется и составляет 3,4-3,5 МПа и 1,9-2,0 МПа для точек 2 и 3 соответственно.

Характер изменения сжимающих напряжений в своде (точка 1) после начала этапа Г" раскрытия штроссы отличается от характера о 4 Штросса 5 *

изменения этих напряжений в бетоне боков I______I

временной крепи (точки 2, 3). Здесь отсутствует Рис- 3- Схема участок спада напряжений, а их рост наблюдается расположения от начала этапа раскрытия штроссы и до удаления забоя нижнего уступа на расстояние 2,5Я (Л - приведенный радиус тоннеля). В конечном итоге, в точке 1 величина напряжений составляет порядка 1,6-1,7 МПа.

Шаги расчета

Рис. 4. График изменения сжимающих напряжений на внутреннем контуре бетона

временной крепи

В качественном отношении изменение сжимающих напряжений в точках 4, 5 временной крепи аналогично изменению напряжений в точках 2, 3 на этапе раскрытия калотты. Величина напряжений в точках 4 и 5 составляет соответственно 0,9-1,0 МПа и 1,4-1,5 МПа, что на 25-30% меньше напряж ений, в точках 2 и 3 крепи калотты.

Асимметрия поля напряжений в боках временной крепи обуславливается влиянием рельефа земной поверхности.

Результаты по расчету изменения напряжений в арках временной крепи показали, что качественно они схожи с представленными выше результатами по бетону.

На основании выполненного численного моделирования было установлено, что распределение сжимающих напряжений в бетоне временной крепи зависит от расположения арок временной | крепи, являющихся элементами жесткого армирования. В местах расположения арок в бетоне имеют место локальные концентрации сжимающих напряжений.

Зависимости изменения коэффициента концентрации I сжимающих напряжений К на внутреннем и внешнем контурах бетона в местах расположения арок относительно напряжений в бетоне на участках между арками представлены на рис. 5. Оценка

осуществлялась по направлению от забоя тоннеля внутрь выработанного пространства в точках 1 и 2 согласно рис. 3.

а.

н х о

а х

0 ьс н

X

01 к я

5

•еЛ

о Ьй

1.11

1.09 1,07 1,05 1.03

3 4 5 6 7 8 9 10 11 Расстояние вдоль оси тоннеля, м

—•— Свод, внутренний шгаур * Бок. внутреншш кошур

- - Свод, внешний конто р —Бок внешнлн кошур

Рис. 5. Изменение коэффициента концентрации сжимающих напряжений К в бетоне временной крепи в местах расположения арок

Качественная картина изменения коэффициента концентрации сжимающих напряжений К в бетоне временной крепи вдоль оси тоннеля является общей для всех рассмотренных точек. С ростом общего уровня сжимающих напряжений происходит постепенная стабилизация значений данного коэффициента.

2. Метод прогноза напряженно-деформированного состояния постоянной обделки тоннеля должен учитывать взаимодействие системы «обделка-крепь-массив», а при сейсмическом воздействии от землетрясения - угол наклона направления распространения сейсмических волн к вертикальной оси тоннеля.

Данные натурных наблюдений за развитием напряженно-деформированного состояния временных крепей и постоянных обделок транспортных тоннелей свидетельствуют о том, что временная крепь, под защитой которой в рамках уступного способа выполняется проходка, способна воспринять статическую нагрузку горного давления без разрушения. При возведении постоянной обделки со значительным отставанием от забоя тоннеля (более 2011

25 м) или после проходки тоннеля на полную длину с временной крепью, статическая нагрузка, приходящаяся на неё, является сравнительно незначительной. В таком случае единственным возможным воздействием на постоянную обделку тоннеля является сейсмическое воздействие от землетрясения.

В настоящее время основным подходом к р ешению задач определения напряжений в обделках транспортных тоннелей от сейсмических воздействий является замена существующей в реальности задачи динамического контактного взаимодействия квазистатической задачей теории упругости.

Для изучения напряженно-деформированного состояния постоянной обделки однопутного железнодорожного тоннеля некругового очертания при сейсмическом воздействии использовалось конечно-элементное моделирование. Расчеты выполнялись для района строительства сейсмичностью 9 баллов.

Компоненты квазистатического поля напряжений в массиве от действия продольной и поперечной сейсмических волн определялись согласно методикам, разработанным Ш.Г. Напет-варидзе, Н.С. Булычевым, H.H. Фотиевой, А.Г. Протосеней и др.

Расчетная схема конечно-элементной модели представлена на рис. 7. В разработанной конечно-элементной модели угол наклона сейсмической волны к вертикальной оси тоннеля а моделировался путем поворота обделки тоннеля вокруг начала координат. Угол а изменялся в диапазоне от 0° до 90°.

Поведение породного массива и обделки тоннеля описывалось моделью линейно-деформируемого тела.

Решение задач и выполн ялось в рамках плоской постановки. Размеры модели составили 200x200 м. Граничные условия задавались следующим образом. Моделируемый участок породного массива закреплен от смещений по граням модели в направлениях, перпендикулярных закрепленным граням. До проведения тоннеля во вмещающем массиве создается поле квазистатических напряжений.

i i 1 «ч Т

Рис. 7. Расчетная схема конечно-элементной модели

Рис. 9. Графики зависимости величины се от угла а при различных деформационных показателях пород массива

Анализ результатов моделирования показывает, что наиболее благоприятными вариантами угла наклона направления

Деформационные характеристики пород нарушенного массива принимались в установленных в ходе лабораторных испытаний и натурных исследований диапазонах: модуль общей деформации пород Е=810-2000 МПа, коэффициент Пуассона у=0,28-0,38.

На рис. 9 приведены графические зависимости величин нормальных тангенциальных напряжений с0 в точках внутреннего контура (рис. 8) от величины угла а при различных деформационных характеристиках пород.

Точки 6 и 7

—Ф— Е=810МПа;у=0,38. А....... Е=1200 МПа; у=0,34.

тектонически

Рис. 8. Схема расположения точек

- Е=1600МПа;у=0,3.

- Е=2000 МПа; у=0,28.

распространения сейсмических волн к вертикальной оси тоннеля а являются углы в диапазоне от 35° до 45°. Наиболее неблагоприятными вариантами - углы а близкие к 0° или 90°.

На рис. 10 приведены эпюры распределения нагрузки р на обделку тоннеля и нормальных тангенциальных напряжений о0 на её внутреннем контуре. Эти эпюры построены при углах наклона направления распространения сейсмических волн к вертикальной оси тоннеля а равным 0°, 45° и 90° для пород с Е=1200МПа и у=0,34.

Как можно заметить из представленных эпюр, величина и распределение напряжений в значительной степени зависят от угла а. По напряжениям сжатия на внутреннем контуре наиболее опасен а=0°, по напряжениям растяжения - а=90°.

3. Анкерную крепь лба забоя тоннеля следует размещать преимущественно вблизи ядра сечения, а её параметры определять исходя из конфигурации и размеров зоны предельного состояния пород впереди лба забоя.

На основании большого количества выполненных численных экспериментов по моделированию устойчивости лба забоя тоннеля в тектонически нарушенном массиве, с учетом натурных наблюдений, разработан метод расчета параметров опережающей анкерной крепи забоя из фиберглассовых анкеров.

Метод расчета позволяет, исходя их выявленных характерных особенностей деформирования вмещающего массива впереди лба забоя тоннеля, определить количество и оптимальную схему расположения фиберглассовых анкеров, гарантирующих устойчивость забоя.

Алгоритм расчета предусматривает следующие этапы:

1. Оценка устойчивости породных обнажений лба забоя тоннеля на основе конечно-элементного моделирования. Оценка выполняется с применением критерия устойчивости обнажений забоя по сдвигающим напряжениям Р|. Величина критерия устойчивости может быть определена как Б, =1/(1-0,98), где 8 -параметр, характеризующий степень уменьшения прочностных свойств пород при моделировании, соответствующий возникновению предельного состояния устойчивости.

Рис. 10. Эпюры распределения нагрузки р на обделку тоннеля и нормальных тангенциальных напряжений <тв на внутреннем контуре обделки тоннеля при: а - а=0°; б - а=45°; в - а=90°

2. Предварительный расчет эквивалентного пригруза яп для обеспечения устойчивости лба забоя. На основании изучения большого количества численных моделей, было установлено, что Чп=(0,45 + 0,55)-уН. Здесь эквивалентным пригрузом называется величина распределенной нагрузки, приложенной ко лбу забоя тоннеля, эквивалентная удерживающему действию некоторого количества фиберглассовых анкеров.

3. Построение кривых развития продольных смещений лба забоя и вертикальных осадок земной поверхности при различных величинах эквивалентного пригруза забоя, находящихся в диапазоне ±25% от его предварительно определенной величины, на основе конечно-элементного моделирования.

Конечным итогом выполнения данного пункта расчета является графическая зависимость, отражающая изменение продольных смещений лба забоя и вертикальных осадок земной поверхности в зависимости от величины эквивалентного пригруза.

4. Корректировка величины эквивалентного пригруза для обеспечения устойчивости лба забоя. Эта величина определяется на основании полученной на этапе 3 графической зависимости. Искомая величина пригруза - это нагрузка, при которой происходит полная компенсация продольных смещений лба забоя.

5. Предварительно количество анкеров опережающей крепи забоя тоннеля определяется как М = ц-8-к/[Р], где ц - величина необходимого эквивалентного давления пригруза лба забоя тоннеля; Б - площадь поперечного сечения тоннеля; [Р] - несущая способность одного анкера; к=1,2 - коэффициент запаса по несущей способности.

6. Определение длины фиберглассовых анкеров. Минимально необходимую длину анкеров следует определять исходя из продольного размера зоны предельного состояния пород впереди лба забоя тоннеля при его свободном деформировании с обоснованным для каждого случая запасом.

7. Проектирование схемы размещения анкеров опережающей крепи непосредственно на забое тоннеля с учетом особенностей механизма деформирования породных обнажений.

Механизм потери устойчивости породных обнажений лба забоя тоннеля, выявленный при численном моделировании и подтвержденный данными натурных наблюдений, заключается в следующем.

существуют характером центральной ограниченное

Рис. И. Зона предельного состояния на забое тоннеля

В поперечном сечении две зоны, отличающиеся деформирования: ядро в части лба забоя, контуром, подобным контуру выработки, и приконтурная зона (рис. 11).

Возникновение вывала происходит в результате проскальзывания ядра внутрь выработанного пространства по породам, расположенным в приконтурной зоне. Происходит это вследствие того, что породы приконтурной зоны переходят в предельное состояние и могут претерпевать значительные по величине неупругие деформации.

В продольном направлении вывал образуется в результате сдвига по границе зоны предельного состояния пород впереди лба забоя. Такой механизм потери устойчивости породных обнажений лба забоя характерен практически для любых горно-геологических условий строительства и форм поперечного сечения тоннелей. Выявлено, что площадь ядра сечения тоннеля составляет 45-50% от площади поперечного сечения вчерне.

При проектировании схемы размещения анкеров на забое тоннеля следует руководствоваться следующими положениями:

• анкера опережающей крепи забоя следует располагать преимущественно в ядре сечения тоннеля;

• размеры зоны влияния одного анкера при различных деформационно-прочностных характеристиках пород вмещающего массива составляют от 0,5 до 1,5 м.

Полученное в конечном итоге фактическое количество анкеров в опережающей крепи не должно превышать более чем на 10-15% их расчетное количество.

8. Численное моделирование спроектированной схемы расположения анкеров с целью оценки её эффективности. Эффективность определяется сравнением величины продольных

17

смещений лба забоя с анкерной крепью, полученных с использованием упругопластической геомеханической модели массива, с продольными смещениями, полученными при моделировании лба забоя в режиме свободного деформирования с использованием линейной модели массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи разработки метода прогноза напряжено-деформированного состояния обделок транспортных тоннелей в нарушенном массиве, имеющей большое значение для развития транспортной системы Российской Федерации.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Разработана пространственная конечно-элементная модель прогноза напряженно-деформированного состояния арко-бетонной временной крепи транспортного тоннеля, проводимого с применением уступного способа. Модель отличается учетом сложного пространственного характера работы элементов конструкции временной крепи и учетом технологии строительства тоннеля.

2. Установлены закономерности формирования напряжений в арках и бетоне временной крепи тоннеля. Выявлено, что в боках штроссовой части арок и бетона временной крепи возникают меньшие по величине напряжения в сравнении с боками арок и бетона временной крепи калотгной части тоннеля. Разница составляет до 50% для бетона временной крепи и до 90-100% для арок. Выявлена тенденция к увеличению этой разницы при увеличении глубины заложения тоннеля. Установлено, что влияние рельефа земной поверхности проявляется в асимметрии распределения напряжений в элементах временной крепи тоннеля относительно его вертикальной оси.

3. Разработан метод прогноза напряженно-деформированного состояния постоянной обделки транспортного тоннеля некругового очертания. Метод базируется на учете взаимодействия системы «обделка-крепь-массив» и позволяет на основе разработанной плоской конечно-элементной модели

выполнять расчет напряженно-деформированного состояния обделки при сейсмическом воздействии от землетрясения. Базовая для метода модель реализована в рамках квазистатической постановки и отличается возможностью учета угла наклона направления распространения сейсмической волны а к вертикальной оси тоннеля.

4. Установлено, что при сейсмическом воздействии от землетрясения в горных породах, деформационно-прочностные характеристики которых находятся в установленном для тектонически нарушенных массивов диапазоне, величина нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки тоннеля практически не зависит от их значений. Определяющим фактором выступает только угол а.

5. Установлено, что наиболее благоприятными с точки зрения возникающих на внутреннем контуре обделки тоннеля нормальных тангенциальных напряжений являются значения угла а, находящиеся в диапазоне от 35 до 45°. Наиболее неблагоприятными - углы а, близкие к 0 или к 90°.

6. Разработан метод определения параметров опережающей анкерной крепи лба забоя тоннеля на основе численного моделирования. Метод отличается использованием решения пространственной геомеханической задачи деформирования породных обнажений лба забоя тоннеля и учетом выявленного механизма потери устойчивости.

7. Разработаны рекомендации по оптимизации параметров временной арко-бетонной крепи для обеспечения устойчивости транспортных тоннелей, строящихся в тектонически нарушенном массиве с применением уступного способа.

8. Разработаны рекомендации по определению параметров постоянной монолитной железобетонной обделки транспортных тоннелей, строящихся в тектонически нарушенном массиве с применением уступного способа. Рекомендации позволяют значительно (до 50% и более) уменьшить необходимую расчетную толщину постоянной обделки тоннеля за счет учета взаимодействия системы «постоянная обделка - временная крепь - породный массив».

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

В изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки России:

1. Беляков H.A. Определение объемного напряженно-деформированного состояния породного массива с выработкой кругового очертания, закрепленной анкерной крепью / А.Г. Протосеня, H.A. Беляков // Записки Горного института, СПб,

2010 г., Т. 185, с. 89-94.

2. Беляков H.A. Геомеханическое обоснование параметров крепления железнодорожных тоннелей в условиях Северного Кавказа // Записки Горного института, СПб, 2010 г., Т.186, с. 99-103.

3. Беляков H.A. Определение пространственного напряженно-деформированного состояния слабого грунтового массива в призабойной части при проходке тоннеля с использованием пригруза забоя / А.Г. Протосеня, H.A. Беляков // Записки Горного института, СПб, 2011 г., Т.190, с. 149-158.

В прочих изданиях:

4. Беляков H.A. Моделирование объемного напряженно-деформированного состояния тоннельного узла сложной пространственной конфигурации / А.Г. Протосеня, Н.А.Беляков, А.Д, Куранов, B.C. Сыровой, И.С. Крошкин // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 9-ой Межрегиональной научно-практической конференции 6-8 апреля

2011 г., Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт», Воркута. 2011 г., с. 108-113.

5. Беляков H.A. Определение пространственного напряженно-деформированного состояния временной крепи железнодорожного тоннеля с учетом влияния рельефа земной поверхности / А.Г. Протосеня, H.A. Беляков // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Тула, 2011 г., N° 1, с. 158-166.

о

РИЦ СПГГУ. 11.03.2012. 3.168 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Беляков, Никита Андреевич, Санкт-Петербург

61 12-5/2655

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БЕЛЯКОВ НИКИТА АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛОК ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ В НАРУШЕННОМ МАССИВЕ

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

На правах рукописи

Научный руководитель д.т.н., профессор А.Г. Протосеня

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........10

1.1. Особенности массивов горных пород и технологии строительства транспортных тоннелей в тектонически нарушенном массиве............................10

1.2. Анализ существующих методов расчета обделок транспортных тоннелей. 19

1.3 Анализ существующих моделей для оценки устойчивости лба забоя...........36

1.4. Задачи и методика исследования напряженно-деформированного состояния временных крепей и постоянных обделок транспортных тоннелей в

тектонически нарушенном массиве.........................................................................56

ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД....................................................................................................57

2.1. Лабораторные исследования образцов горных пород....................................57

2.2. Определение деформационно-прочностных свойств горных пород в натурных условиях методом сейсмоакустики........................................................72

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

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ ТОННЕЛЕЙ...............................................................................................87

3.1. Постановка задачи моделирования...................................................................87

3.2. Анализ формирования напряженно-деформированного состояния элементов конструкции временной крепи...............................................................93

3.3. Оценка влияния арок на распределение напряжений в бетоне временной крепи..........................................................................................................................125

3.4. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами натурных измерений напряженно-деформированного состояния бетона временной крепи......................................................................................................128

3.5. Оптимизация конструкции временной крепи с учетом особенностей формирования напряженно-деформированного состояния её элементов.........137

3.6. Выводы по главе................................................................................................139

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОСТОЯННОЙ ОБДЕЛКИ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ...........................141

4.1. Особенности статической работы постоянных обделок тоннелей, сооружаемых уступным способом.........................................................................141

4.2. Обоснование корректности постановки задачи численного моделирования для прогноза напряженно-деформированного состояния постоянной обделки......................................................................................................................142

4.3. Численное моделирование сейсмическоего воздействия на обделку транспортных тоннелей некругового очертания..................................................166

4.4. Выводы по главе................................................................................................181

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ АНКЕРНОЙ КРЕПИ ЗАБОЯ ТОННЕЛЯ....................182

5.1. Основные требования к методу расчета опережающей крепи забоя тоннеля......................................................................................................................182

5.2. Метод расчета параметров опережающей анкерной крепи забоя тоннеля......................................................................................................................183

5.3. Выводы по главе................................................................................................207

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..............................................................209

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................212

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

В последние годы в Российской Федерации произошла активизация процессов освоения подземного пространства. В наибольшей степени это характерно для городов-мегаполисов Москвы и Санкт-Петербурга, а также, в связи со строительством значительного количества транспортных тоннелей Олимпийской трассы, для района Северного Кавказа.

Условия плотной городской застройки или складчатый рельеф земной поверхности вызывают необходимость строительства транспортных подземных сооружений, а в первую очередь - автодорожных и железнодорожных тоннелей.

Проведение таких тоннелей, как правило, выполняется в сложных горногеологических условиях, а в случае выполнения реконструкции уже существующих, но в настоящее время уже морально и физически устаревших, тоннельных комплексов еще и при наличии взаимного влияния выработок. Кроме того, районы строительства горных транспортных тоннелей (в том числе и Северный Кавказ) зачастую являются сейсмически опасными в виду значительной тектонической активности; их расчетная сейсмичность обычно составляет не менее 9 баллов.

Значительные по своей протяженности участки транспортных тоннелей (до 30% от общей длины) строятся в тектонически нарушенном массиве. В этих зонах породы, слагающие массив, характеризуются высокой степенью нарушенности, зачастую являются перетертыми в результате тектонических процессов и характеризуются низкими деформационно-прочностными показателями.

Существующие методы прогноза геомеханических процессов в таких зонах не учитывают всего многообразия факторов, влияющих на их развитие. Непосредственно сами процессы, протекающие при строительстве подземных сооружений в подобных условиях, на сегодняшний день являются недостаточно изученными.

Учесть влияние отставания временной крепи или постоянной обделки тоннеля от забоя, упрочняющего эффекта от применения опережающей анкерной крепи лба забоя, особенностей уступного способа строительства тоннелей, нелинейных свойств пород вмещающего массива и возможные сейсмические воздействия на характер формирования напряжённо-деформированного состояния системы «крепь-массив» возможно только с применением пространственной расчетной модели, основанной на схеме взаимодействия.

Задача определения нагрузок на обделку тоннелей большого поперечного сечения решалась К.П. Безродным, Б.А. Картозией, Н.С. Булычёвым, В.А. Грабером, В.Е. Меркиным, Н.И. Кулагиным, А.Г. Протосеней, Г.А. Скобенниковым, H.H. Фотиевой, Ю.С. Фроловым, Д.М. Голицынским, Ю.Н. Огородниковым, А.Н. Панкратенко, В.М. Мостковым, А.Н. Коньковым, М.О. Лебедевым, Р.И. Ларионовым и другими.

Данные натурных наблюдений за развитием напряженно-деформированного состояния в системе «крепь-массив» при проведении участков транспортных тоннелей в зонах тектонически нарушенного массива свидетельствуют о значительном влиянии технологии их проходки и крепления на характер распределения и величину нагрузок на обделку. Кроме этого, при строительстве тоннелей в таких зонах большое значение приобретает обеспечение устойчивости породных обнажений лба забоя.

На основе вышеизложенного становится возможным утверждать, что проблема обоснования метода определения напряженно-деформированного состояния крепей транспортных тоннелей большого поперечного сечения, проводимых в тектонически нарушенном массиве на основе подходов, используемых в современной геомеханике, является актуальной научной задачей.

Цель работы;

Обеспечение устойчивости транспортных тоннелей большого поперечного сечения в тектонически нарушенном массиве.

Идея работы:

Повышение несущей способности тектонически нарушенного породного массива должно выполняться его армированием опережающей анкерной крепью с учетом технологии строительства тоннеля и прочностных свойств пород.

Основные задачи исследований:

1) выявление особенностей строения и основных параметров зон тектонически нарушенного массива;

2) проведение натурных наблюдений за проявлением горного давления в транспортных тоннелях на участках тектонически нарушенного массива;

3) численное моделирование напряженно-деформированного состояния временной крепи тоннеля с учетом технологии строительства тоннеля в тектонически нарушенном массиве;

4) разработка метода определения параметров напряженно-деформированного состояния постоянной обделки тоннеля при сейсмическом воздействии в тектонически нарушенном массиве;

5) разработка рекомендаций по определению параметров опережающей анкерной крепи забоя тоннеля при строительстве в тектонически нарушенном массиве.

Методы исследований:

Исследование прочностных и деформационных свойств горных пород вмещающего массива в лабораторных условиях; конечно-элементное моделирование геомеханических процессов в породном массиве и элементах крепи тоннеля; инструментальные наблюдения за напряженно-деформированным состоянием временной крепи транспортных тоннелей в натурных условиях.

Научная новизна работы:

• установлены закономерности формирования зоны предельного состояния пород тектонически нарушенного массива впереди лба забоя тоннеля в зависимости от степени их упрочнения фиберглассовыми анкерами;

• установлены закономерности формирования напряжений в элементах арко-бетонной временной крепи с учетом пространственного характера её работы и основных этапов строительства тоннеля с применением уступного способа;

• определены закономерности распределения напряжений в постоянной обделке тоннеля от сейсмического воздействия в тектонически нарушенном массиве.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель прогноза напряженно-деформированного ^состояния временной крепи тоннеля должна учитывать пространственный характер работы её конструкции, влияние рельефа земной поверхности и основные этапы технологии строительства тоннеля.

2. Метод прогноза напряженно-деформированного состояния постоянной обделки тоннеля должен учитывать взаимодействие системы «обделка-крепь-массив», а при сейсмическом воздействии от землетрясения - угол наклона направления распространения сейсмических волн к вертикальной оси тоннеля.

3. Анкерную крепь лба забоя тоннеля следует размещать преимущественно вблизи ядра сечения, а её параметры определять исходя из конфигурации и размеров зоны предельного состояния пород впереди лба забоя.

Практическая значимость работы:

• разработан метод определения параметров опережающей крепи лба забоя тоннеля из фиберглассовых анкеров;

• разработаны рекомендации по оптимизации конструкции арко-бетонной временной крепи с учетом особенностей формирования напряженно-

деформированного состояния в её элементах при уступном способе строительства тоннеля.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается использованием при испытании горных пород современного прессового оборудования «Лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород «Научного центра геомеханики и проблем горного производства СПГГУ»; применением современного численного метода моделирования - метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе БшшИа АЬацш; сходимостью результатов численного моделирования с данными натурных исследований и с результатами, полученными с применением аналитических методик. Апробация диссертации:

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных международных форумах молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГУ «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009-2011 г.); заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами СПГГУ и получили одобрение.

Личный вклад автора заключается:

• в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов;

• в постановке задач конечно-элементного моделирования;

• в разработке конечно-элементных моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов;

• в разработке метода определения параметров опережающей крепи лба забоя тоннеля в тектонически нарушенном массиве;

• в сопоставлении результатов численного моделирования с данными натурных наблюдений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 221 странице машинописного текста, содержит 5 глав, введение и заключение, список использованной литературы из 101 наименования, 88 рисунков и 21 таблицу.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ОСОБЕННОСТИ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД И ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАРУШЕННОМ МАССИВЕ

1.1.1. Особенности тектонического строения Северного Кавказа

Территория Северного Кавказа по характеру рельефа разделяется на две провинции — Большой Кавказ и Предкавказье. Граница между ними проходит вдоль северных предгорий Большого Кавказа.

В пределы данной территории входит северный склон Большого Кавказа -от Керченского пролива на северо-западе до р. Самур на юго-востоке и часть южного склона к северо-западу от р. Мзымта.

Характерной особенностью Большого Кавказа является зональное развитие основных форм его рельефа — горных хребтов и разделяющих их межгорных депрессий с преобладающим направлением с северо-запада на юго-восток.

На рисунке 1.1 приведена схема тектонического районирования Северного Кавказа, составленная А.Л. Луневым, В.А. Сереженко и др. [1].

В самом первом приближении территория Северного Кавказа подразделяется на две крупные тектонические области:

1) северная часть региона, представляющая собой Предкавказскую альпийскую платформу (плиту);

2) южная часть региона, принадлежащая к альпийской складчатой системе Большого Кавказа.

Неотектонические движения обычно рассматриваются в интервале, охватывающем последний отрезок геологической истории, начиная с неогена, который выделяется под названием «неотектонического этапа». Именно в это время здесь начались наиболее интенсивные восходящие движения, ы

Рисунок 1.1- Схема тектонического районирования Северного Кавказа. Русская докембрийская платформа: I - Ростовский погребенный выступ Украинского щита. Предкавказская эпигерцинская плита: II - Манычская зона прогибов; III - Азово-Кубанская впадина; IV - Ставропольское поднятие; V - Терско-Кумская впадина. Краевая подвижная зона Предкавказской плиты. VI - Западно-Кубанский передовой прогиб; VII - Терско-Каспийский передовой прогиб; VIII - Кусаро-Дивичинский наложенный передовой прогиб; IX - Северо-Кавказский краевой массив. Мегантиклинорий Большого Кавказа. X - Западный Кавказ; XI - Центральный Кавказ; XII - Восточный Кавказ. Складчатая система Южного склона Большого Кавказа. XIII - Казбекско-Латодехская зона; XIV - Местийско-Тианетская зона. Закавказский срединный массив. XV - Адлерская депрессия Абхазской зоны. XVI - границы между структурами первого порядка; XVII - границы между структурами второго порядка; XVIII - границы локальных структур; XIX - региональные разломы (надвиги и сбросы); XX - прочие разломы.

сопровождавшиеся резким усилением погружений, краевых и межгорных впадин и мощной субаэральной вулканической деятельность.

Территория Северного Кавказа по проявлению неотектонических движений весьма разнородна. По общей направленности новейших движений, их устойчивости и интенсивности здесь резко различаются альпийская орогенная область Большого Кавказа и область Скифской плиты в пределах Предкавказья. На представленной на рисунке 1.2 схеме неотектонического районирования Большой Кавказ выделяется как область крупного новейшего сводового поднятия, осложненного глыбовыми движениями в осевой части и складчатостью в полосе предгорий.

Рисунок 1.2 - Схема неотектонического районирования Северного

Кавказа. 1,2- сводовые миоцен-четвертичные поднятия в области палеозойской и альпийской складчатости; 3-9 - дифференцированные плиоцен-четвертичные поднятия в области новейшей (миоцен-четвертичной) складчатости; 10, 11 - области устойчивых миоценово-четвертичных умеренных поднятий; 12-14 - области устойчивых миоценово-четвертичных погружений; 15,16 - области неустойчивых новейших движений.

Характерной особенностью новейшей структуры Большого Кавказа являются поперечные поднятия - Эльбрусское, Дагестанское и Адыгейское. На северном продолжении наиболее крупного Эльбрусского поперечного поднятия в Предкавк