WWW.NEW.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Онлайн ресурсы
 

Pages:   || 2 |

«КИРЕЕВА ВЕРОНИКА ИГОРЕВНА ОЦЕНКА СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СООРУЖЕНИИ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ М ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

КИРЕЕВА ВЕРОНИКА ИГОРЕВНА

ОЦЕНКА СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ

СООРУЖЕНИИ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ

КОМПЛЕКСАМИ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Е.М.Волохов Санкт-Петербург – 2016 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ ОЦЕНКИ СДВИЖЕНИЙ

И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЕРЕГОННЫХ

ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ................11

1.1 Проблема оценки сдвижений горных пород при строительстве подземных сооружений с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов

1.2 Проблемы оценки инженерно-геологических условий строительства тоннелепроходческими механизированными комплексами

1.3 Технология проходки горизонтальных тоннелей с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов

1.4 Методы прогноза сдвижений и деформаций при строительстве тоннелей.…29

1.5 Влияние деформаций земной поверхности на здания и сооружения при строительстве тоннелей. Критерии подработки

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СДВИЖЕНИЙ И

ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ ТПМК

2.1 Основные объекты натурных исследований

2.2 Методы натурных исследований

2.2.1 Мониторинг конструктивных элементов тоннеля

2.2.2 Мониторинг вмещающего массива

2.2.3 Мониторинг поверхности земли

2.2.4 Мониторинг подрабатываемых зданий и сооружений

2.3 Методы контроля технологических параметров ТПМК

2.4 Анализ данных мониторинга деформаций

2.5 Организация мониторинга деформаций здания

2.6 Анализ недостатков и обоснование рекомендаций по усовершенствованию методов наблюдений

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

СДВИЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ

РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Методы математического моделирования. Обоснование применения метода конечных элементов

3.2 Основные принципы расчетов МКЭ при решении геомеханических задач .

Особенности моделирования проходки тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.......96

3.3 Исходное напряженное состояние массива

3.4 Сравнение плоских и пространственных постановок расчета

3.5 Анализ влияния граничных условий

3.6 Выбор и обоснование моделей грунтов

3.7 Изучение влияния физико-механических свойств массива

3.8 Оценка влияния гидрогеологических факторов

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СДВИЖЕНИЙ И

ДЕФОРМАЦИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ

УСЛОВИЯМ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

4.1 Особенности геологический условий

4.2 Выделение основных факторов, определяющих развитие геомеханических процессов

4.3 Анализ влияния основных факторов с использованием районирования.......146

4.4 Обоснование расчетной схемы для горно-геологических условий строительства перегонных тоннелей в Санкт-Петербурге

4.5 Апробация расчетной схемы на выделенных участках

4.5.1 Моделирование участка ПК244 – ПК248

4.5.2 Моделирование участка ПК253–ПК257

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования Развитие крупных городов невозможно без расширения и усовершенствования их транспортной инфраструктуры. Важнейшим элементом такого развития является строительство новых станций и линий метрополитена .

В связи с необходимостью сокращения затрат на строительство, в последние годы все чётче проявляется тенденция к уменьшению глубины заложения проектируемых выработок. При этом строительство подземных сооружений зачастую происходит в сложных горно-геологических условиях .

Так, например, в условиях Санкт-Петербурга выход на малые глубины подразумевает организацию подземного строительства в неустойчивой толще четвертичных отложений, которая характеризуется наличием нескольких водоносных горизонтов, существенной неоднородностью по глубине и по трассе сооружений, низкими значениями сцепления и модулей деформации пород .

В таких условиях сооружение подземных выработок, таких например, как перегонные тоннели, невозможно без применения специальных технологий проходки. Для этих случаев все чаще применяются тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) с активным пригрузом забоя. Данная технология позволяет обеспечить минимизацию влияния горных работ на породный массив и даже создать условия для обеспечения управления геомеханическими процессами в режиме реального времени .

В то же время строительство тоннелей даже с применением «малоосадочных» технологии нарушает природное равновесие в массиве .

Высокая чувствительность толщи к малейшим изменениям режимов проходки, в особенности при мелком заложении тоннелей большого диаметра, становится причиной развития существенно неравномерных сдвижений массива и больших деформаций, которые характеризуются высокими скоростями развития и относительно малой зоной локализации .

В таких условиях для охраны существующей наземной инфраструктуры и изучения процессов деформирования поверхности и массива при применении новых технологий характеризующихся активным воздействием на массив, требуется разработка достоверных методов прогноза сдвижений, а также обоснование специальных методов мониторинга деформаций .

Большой вклад в изучение процессов деформирования массива и в создание методологической основы для оценки сдвижений при ведении горных работ внесли С.Г. Авершин, Д.А. Казаковский, Р.А. Муллер, М.А. Иофис, В.Н. Гусев и др. Среди работ, посвященных аналогичным исследованиям в области тоннелестроения, необходимо отметить труды В.Ф. Подакова, Ю.А. Лиманова, С.Н. Сильвестрова, М.В. Долгих, Е.М. Волохова, В.П. Хуцкого, С.В. Мазеина, М.А. Карасева, В.В. Речицкого, Д.В. Панфилова и др .

Существующие методы оценки сдвижений и деформаций, применительно к технологии строительства с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов с грунтопригрузом, не могут обеспечить достоверный прогноз влияния проходки в связи с тем, что большинство расчетных схем оперируют лишь усредненными данными о технологических параметрах ведения щита и конечными значениями сдвижений. В тех же работах, в которых использовался широкий спектр натурных данных, позволяющих оценивать чувствительность массива к изменениям параметров проходки, не производилась оценка развития мульды на поверхности и распределения сдвижений и деформаций в массиве .

В связи с вышеотмеченным, не смотря на большое количество работ, посвященных изучению геомеханических процессов в массиве при строительстве тоннелей, проблема оценки сдвижений и деформаций при проходке тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя все еще остается актуальной .

Цель работы: Обосновать методы прогнозной оценки сдвижений горных пород и мониторинга деформаций породного массива, поверхности земли и сооружений для условий строительства тоннелей большого диаметра на малых глубинах при применении тоннелепроходческих механизированных комплексов с пригрузом забоя .

Идея работы состоит в комплексном использовании взаимоувязанных натурных данных, технологических параметров проходки и результатов математического моделирования для оценки сдвижений и деформаций горных пород .

Задачи исследований:

- анализ изученности проблем оценки вредного влияния горных работ при строительстве тоннелей тоннелепроходческими комплексами;

- сбор и обработка имеющихся данных натурных исследований и организация специальных мониторинговых наблюдений;

- изучение закономерностей развития деформационных процессов в массиве при ведении горных работ с использованием данных о режимах работы подсистем тоннелепроходческих комплексов;

- математическое моделирование геомеханических процессов на основе численных методов;

- разработка расчетной схемы для прогнозной оценки сдвижений и деформаций;

- обоснование методов мониторинговых наблюдений за деформациями .

Методы исследований:

- методы математической статистики и теории погрешностей для обработки и анализа данных натурных наблюдений сдвижений и деформаций;

- методы механики сплошных сред и математического моделирования на основе численных методов для обоснования выявленных закономерностей геомеханических процессов .

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Оперативная и достоверная оценка фактических параметров деформационного состояния подрабатываемых объектов при ведении горных работ с использованием современных тоннелепроходческих механизированных комплексов большого диаметра возможна только на основе применения автоматизированных систем, обеспечивающих реализацию режимов наблюдений в реальном времени .

2. При строительстве тоннелей большого диаметра с применением современных тоннелепроходческих механизированных комплексов на малых глубинах в неустойчивых породах характер и параметры геомеханических процессов в массиве определяются преимущественно технологическими факторами. Основным фактором, определяющим проявление долговременных неравномерных пучений поверхности над тоннелем, является перенагнетание в заобделочное пространство .

3. Ключевыми особенностями расчетной схемы для оценки сдвижений поверхности в процессе сооружении тоннелей большого диаметра тоннелепроходческими механизированными комплексами в неустойчивых породах, обеспечивающими ее достоверность, являются трехмерная постановка задачи, использование гидростатического поля исходных напряжений и учет активного воздействия на массив .

Научная новизна работы:

1. Предложена классификация и выявлены основные факторы определяющие развитие геомеханических процессов в массиве при проходке тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами в неустойчивых породах на малых глубинах .

2. На основе комплексного анализа возникновения и развития деформаций массива при проходке тоннелей мелкого заложения тоннелепроходческими механизированными комплексами и сопоставления результатов расчетов в плоских и пространственных расчетных схемах обоснована необходимость применения трехмерной постановки задачи прогнозного расчета сдвижений .

3. Выявлены закономерности возникновения и развития сдвижений и деформаций в массиве горных пород при сооружении перегонных тоннелей большого диаметра тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя в условиях применения режима перенагнетания в заобделочное пространство. Показано, что развитие сдвижений характеризуется высокими скоростями и дискретным характером .

4. Предложена и обоснована расчетная схема для оценки сдвижений поверхности в процессе сооружения тоннелей в рассматриваемых условиях, учитывающая особенности исходного поля напряжений, пространственного характера развития деформаций, физико-механические свойства массива и параметры активного воздействия на массив .

Практическое значение работы

1. Обоснованная методика оценки сдвижений поверхности для условий строительства тоннелей большого диаметра мелкого заложения позволяет обеспечить достоверный прогноз вредного влияния на здания и сооружения, выбор мер охраны этих объектов на стадии проектирования подземных сооружений .

2. Предлагаемая расчетная схема, учитывающая особенности активного воздействия различных систем тоннелепроходческого механизированного комплекса на массив, позволит разработать инженерные методы для текущего прогноза сдвижений и деформаций в процессе строительства подземных сооружений, обосновать варианты выбора технологических режимов ТПМК снижающих уровень оседаний .

3. Разработанные рекомендации по организации мониторинга деформаций породного массива и земной поверхности позволят обеспечить достоверную и своевременную оценку деформационного состояния подрабатываемых зданий и сооружений в условиях проходки выработок мелкого заложения .

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается большим объемом выполненных теоретических (построено и обработано более 150 моделей с широкой вариацией исходных параметров), а также экспериментальных исследований по выявлению закономерностей изменения состояния массива и поверхности земли при различных режимах строительства тоннелей большого диаметра мелкого заложения. Сопоставление результатов моделирования по предложенной расчетной схеме и данных натурных наблюдений показало удовлетворительную сходимость для горно-геологических условий Санкт-Петербурга .

Апробация работы Результаты исследований докладывались на 54 международной научной конференции (г. Краков, Польша, декабрь 2013), на Всероссийской научнопрактической конференции «Новые технологии при недропользовании» (г .

Санкт-Петербург, Горный университет, октябрь 2014 г.), XXIII Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2015» (г. Москва, (МГИ) НИТУ МИСиС, январь 2015 г.), на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, Горный университет, апрель 2015 г.), на Международной научно-практической конференции «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование» (г. Санкт-Петербург, Горный университет, октябрь 2015 г.), ХI научно-практической конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в РФ» (г. СанктПетербург, Горный университет, декабрь 2015 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного университета .

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 5 публикациях, из них 3 в журналах, включённых в перечень ведущих научных изданий ВАК Минобрнауки России .

Личный вклад автора Диссертация является продолжением исследований в области оценки сдвижений и деформаций поверхности земли при строительстве подземных сооружений, проводимых на кафедре маркшейдерского дела «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» для условий строительства объектов метрополитена Санкт-Петербурга. Автором выполнен анализ большого объема данных натурных наблюдений за процессом сдвижения массива и поверхности, а также данных технологических параметров проходки при строительстве транспортных тоннелей механизированными комплексами с пригрузом забоя. Кроме того автором производились полевые работы, в том числе по организации станции автоматизированного мониторинга деформаций жилого здания по ул. Бухарестская 156 к.1 и поверхности земли при строительстве двупутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса. Были созданы численные модели и обработаны данные для исследования процессов деформирования массива в процессе проходки перегонных тоннелей комплексами большого диаметра с возможностью активного воздействия на вмещающие породы, разработана расчетная схема для оценки сдвижений поверхности в таких условиях МКЭ .

При проведении исследований были использованы данные, предоставленные Комитетом по развитию транспортной инфраструктуры СанктПетербурга, ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс», ЗАО «Фирма «ГИРО» .

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 104 наименований. В работе 94 рисунка, 9 таблиц и 1 приложение .

Автор выражает глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю к.т.н., доц. Волохову Е.М., а также д.г. - м.н., проф. Р.Э. Дашко, за ценные советы и внимание к работе .

Автор благодарит руководство ЗАО «СМУ-13 Метрострой» и лично генерального директора С.Д. Сепитого за техническое содействие в организации и проведении деформационного мониторинга здания на улице Бухарестская, а также главного маркшейдера ЗАО «СМУ-13 Метрострой» В.А. Андрианова и главного маркшейдера ЗАО «Метроподземстрой» О.Г. Сабурова за методическую помощь .

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ ОЦЕНКИ

СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО

ДИАМЕТРА ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

1.1 Проблема оценки сдвижений горных пород при строительстве подземных сооружений с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов В Москве в плане строительства на период с 2011 по 2020 год запроектировано более 160 км линий метро и 78 новых станций, 15 из которых открыты уже к 2015 году. В Санкт-Петербурге, в соответствии с отраслевой схемой развития до 2025 года, запланировано строительство для четырех линий метрополитена .

В связи с необходимостью сокращения затрат на подземное строительство, в последние годы все чётче проявляется тенденция к уменьшению глубины заложения проектируемых выработок. При этом строительство подземных сооружений происходит в сложных горно-геологических условиях под плотно застроенными территориями, что исключает возможность применения наиболее распространенного метода возведения выработок мелкого заложения – открытого способа работ .

В таких случаях все чаще применяются тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) с активным пригрузом забоя. Так в Москве с применением данной технологии в период с 2003 по 2007г. были построены Лефортовский и Серебряноборские транспортные тоннели большого диаметра и протяженности. В СанктПетербурге щитом диаметром 10,6 м фирмы Herrenknecht с грунтопригрузом был проеден участок перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса. На данный момент ведется строительство тоннеля между станциями "Беговая" и "Приморская" Невско-Василеостровской линии с применением данного комплекса .

Такая технология позволяет удерживать забой и контур породных обнажений в стабильном состоянии во время проходки, а также сооружать мощную водонепроницаемую обделку тоннеля и заполнять практически все пустоты в заобделочном пространстве .

Характеризуя технологию сооружения тоннелей ТПМК с пригрузом забоя с точки зрения воздействия на массив, следует отметить использование целого комплекса новых (в сравнении с традиционными способами проходки) сложных и связанных между собой подсистем, основными из которых являются:

- подсистема пригруза забоя, обеспечивающая создание избыточного давления на породы в герметично отделенной от тоннеля призабойной зоне, за счет присутствия в ней жидкой (при гидропригрузе) или густой (при породопригрузе) смеси измельченной породы, воды и различных специальных добавок, находящейся под давлением;

- подсистема разработки и выдачи породы с использованием режущего органа роторного типа с комплексом, обеспечивающим смещение плоскости ротора т.н. домкратами артикуляции;

- подсистема передвижки ТПМК с комплексом ходовых домкратов расположенных по окружности в пределах хвостовой оболочки, обеспечивающая управление траекторией движения и ориентацией щита ТПМК в пространстве;

- подсистема непрерывного нагнетания раствора в пространство между породой и обделкой тоннеля, позволяющая подавать сложный многокомпонентный раствор через систему сопел, расположенных на хвостовой оболочке, прямо в процессе плавного движения ТМПК .

Применение такой технологии проходки позволяет не только организовать строительство тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, но и обеспечить минимизацию влияния горных работ на породный массив и даже создать условия для управления геомеханическими процессами в режиме реального времени .

В то же время, сооружение тоннеля даже с применением "малоосадочных" технологий нарушает природное равновесие в породном массиве, сдвижения возникающие у тоннеля развиваются вплоть до поверхности на которой образуется и развивается мульда сдвижений. Если говорить о проходке с использованием ТПМК большого диаметра на малых глубинах, то именно здесь воздействие на породный массив может практически сразу проявляться на земной поверхности и в приповерхностной зоне, где в основном и локализуются объекты городской инфраструктуры. Даже сама передвижка ТПМК с использованием ходовых домкратов может оказывать здесь влияние на поверхность .

Практика применения таких технологий проходки тоннелей в Москве и Санкт-Петербурге показала, что, несмотря на внушительный арсенал описанных выше технологических средств, полностью исключить проявление сдвижений на земной поверхности не удается [17-19]. Так, при строительстве перегонного двупутного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена наряду с оседаниями фиксировалось поднятие массива, которое достигало 50 мм на отдельных участках .

Подработка в таких режимах проходки подземных коммуникаций водоканала (на перегоне «Южная» – «Дунайский проспект») стала причиной нарушения целостности магистрального трубопровода. При строительстве Лефортовского и Серебряноборских транспортных тоннелей в Москве с применением ТПМК аналогичного класса диаметром 14,6 м, также не удалось полностью исключить проявления деформаций на поверхности [58]. Оседания над осью тоннеля здесь достигали величин 20–25 мм .

Анализируя развитие геомеханических процессов в окружающем тоннель массиве, можно отметить весьма сложный характер деформаций пород, сильно зависящий не только от геологических и гидрогеологических условий проходки, но и от выбранных технологических параметров указанных выше подсистем ТПМК. Так, неправильный выбор оператором («пилотом» ТПМК) значений давлений в системе активного пригруза забоя или неадекватного режима нагнетания в заобделочное пространство может привести как к оседаниям, так и к пучениям на земной поверхности .

В связи с отмеченным выше сложным характером и плохой изученностью процессов деформирования массива, при проходке тоннелей большого диаметра ТПМК возникает необходимость в разработке и обосновании новых расчетных схем для оценки сдвижений и деформаций. Их достоверность должна обеспечиваться комплексным подходом, который подразумевает учет особенностей новой технологии строительства, инженерно-геологических условий, а также характера воздействия подработки на здания и сооружения .

Кроме того, оценка сдвижений и деформаций должна опираться на натурные данные и результаты моделирования, для обоснования закономерностей деформирования и распределения сдвижений в подрабатываемом массиве .

1.2 Проблемы оценки инженерно-геологических условий строительства тоннелепроходческими механизированными комплексами Проектирование тоннелей мелкого заложения в таких городах как СанктПетербург, Алма-Ата, Хошимин предполагает проведение строительства в неустойчивых толщах осадочных отложений. Так в Санкт-Петербурге комплекс четвертичных пород, перекрывающий коренные отложения, сложен песчаноглинистыми осадками морского, озерно-ледникового и валунными суглинками ледникового генезиса общей мощностью до 100 м .

Слои пород, слагающие такие толщи, сильно отличаются по физико-механическим свойствам, к тому же встречаются линзы обводненных песков. Толщи характеризуются наличием водоносных горизонтов. Расположенная ниже толща протерозойских пород имеет верхний переходный слой (т.н. перемятых глин) с пониженными деформационными характеристиками. В таких условиях в процессе проектирования тех или иных подземных объектов мелкого заложения необходимо проведение детальных инженерно-геологических изысканий для получения достоверных данных о строении и свойствах вмещающего тоннель массива .

Породы являются материалом природного происхождения, свойства которого существенно различаются в зависимости от генезиса, состава и напряженно-деформированного состояния. Данные свойства изучаются в механике горных пород, основные положения которой изложены в следующем перечне работ [5,24,27,84] .

Для достоверного прогноза сдвижений и деформаций поверхности земли необходима количественная оценка этих свойств. Определение параметров состава, состояния, физико-механических и др. свойств производится в основном посредством испытания грунтов в лабораторных и полевых условиях. Кроме того используются косвенные методы оценки свойств массива .

К косвенным методам определения свойств грунтов относятся геофизические методы. Основными достоинствами данных методов являются возможность изучения грунтов в их естественном залегании; получение осредненных характеристик грунтовых массивов в объемах, соизмеримых с размерами активных зон объекта строительства, что исключает недостатки, связанные со случайностью точечного опробования [8]. В тоннелестроении кроме оценки свойств грунтов, геофизические методы исследования используются для прогнозирования геологической ситуации по трассе впереди забоя, контроля качества работ по грунтозакреплению массива и т.д .

В данной работе основной интерес представляют физико-механические свойства, которые характеризуют массив с точки зрения геомеханических процессов. Свойства можно подразделить на две группы: физические свойства (плотность, объемный и удельный вес, пористость, влагоемкость и др.) и механические свойства, в которых в свою очередь выделяют прочностные, деформационные и реологические .

Одной из основных деформационных характеристик массива является модуль деформации E, именно он во многом определяет уровень развития сдвижений в массиве. Данный параметр определяется с использованием лабораторных и полевых методов испытаний грунтов. Преимуществом полевых методов является возможность изучения свойств массива в естественных условиях, в то время как лабораторные испытания проводятся на образцах, свойства которых могут отличаться от свойств массива из-за влияния масштабного фактора .

Методика компрессионного и трехосного определения модулей деформации приведена в ГОСТ 12248-2010 [96]. Методика полевого определения модуля деформации изложена в ГОСТ 20276-2012 [97] .

До настоящего времени наиболее распространенным методом получения модуля деформации остаются компрессионные испытания в одометре, которые являются наиболее простыми и доступными. При таком методе исключается возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой. Поэтому метод не позволяет напрямую оценить величину коэффициента бокового расширения (коэффициента Пуассона) .

Сравнивая результаты компрессионных и штамповых испытаний можно отметить существенные расхождения в модулях деформации. Так по результатам испытаний получают компрессионный модуль деформаций, который в среднем в 2–6 раз меньше модуля деформаций, получаемого в ходе испытаний с помощью штампа [12]. В связи с этим обычно рекомендуется модуль деформации определять путем умножения получаемого компрессионного модуля на табличный коэффициент перехода. Данный подход часто оспаривается исследователями в виду существенных различий в режимах нагружения пород в одометре и при штамповых испытаниях [93] .

Наряду с компрессионными испытаниями, для определения модуля деформаций используется метод трехосного сжатия. Данный метод считается более предпочтительным, так как учитывает пространственную работу грунта под нагрузкой. Он позволяет не только определить ряд дополнительных параметров, входящих в те или иные модели грунта, но и проводить сами испытания по различным траекториям нагружений. Кроме модуля деформаций при трехосном сжатии в стабилометре могут определяться коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона при разгрузке), сцепление и углы внутреннего трения и др .

Сопротивление грунта срезу, угол внутреннего трения, удельное сцепление для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов может определяться методом одноплоскостного среза. Характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой касательной нагрузкой при одновременном нагружении нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Сопротивление грунта срезу определяют как предельное касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Несмотря на простоту и распространенность метода у него имеется ряд недостатков. Согласно исследованиям проф. Р.Э.Дашко [27], метод часто характеризуется завышенными значениями углов внутреннего трения и несколько заниженными значениями сцепления .

Полученные при испытаниях значения физико-механических характеристик образцов подвергаются статистической обработке для выделения инженерно-геологических элементов (ИГЭ). Разделение производится на основе ряда факторов с использованием коэффициента вариации, по которому оценивается неоднородность слоев грунта. Его допустимое значение, согласно ГОСТ 20522-2012 [98], для физических характеристик составляет 15%, для механических 30% .

Стоит отметить, что получаемые в лабораторных условиях значения физико-механических характеристик образцов во многом зависят от качества проведения буровых работ и отбора образцов. Кроме того при изысканиях, для выделения конечных значений характеристик пород ИГЭ используются данные изысканий многолетней давности, которые производились на разной лабораторно-технической базе, в связи с чем усредняемые физико-механические характеристики могут иметь широкий разброс даже в пределах выделенного инженерно-геологического элемента .

1.3 Технология проходки горизонтальных тоннелей с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов В связи с тем, что современные проходческие комплексы характеризуются интенсивным воздействием на массив, достоверный прогноз сдвижений и деформаций невозможен без детального анализа технологии строительства .

Согласно [78], ТПМК – это комплекс механизмов и устройств, осуществляющих во взаимосвязи и взаимодействии все этапы работ, связанные с разработкой и уборкой грунта, закреплением забоя, возведением обделки, нагнетанием тампонажного раствора за обделку. Вопросам применения технологии строительство тоннелей с помощью ТПМК посвящено большое количество работ и нормативных документов [66,77,78, 88, 91] .

Технология проходки с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), типы и модели ТПМК определяется в зависимости от инженерно-геологических условий строительства.

Для строительства тоннелей в сложных горно-геологических условиях применяются щиты с активным пригрузом забоя, которые делятся на:

щиты с суспензионным (бентонитовым) пригрузом;

щиты с грунтовым пригрузом;

щиты с воздушным пригрузом;

щиты с комбинированным пригрузом .

В большинстве случаев организация подземного строительства тоннелей в неустойчивых грунтах связана с использованием двух типов пригруза забоя:

суспензионного и грунтопригруза. Их основное отличие заключается в количестве жидкости, подаваемой в забойную камеру. У щитов с грунтопригрузом материал в призабойной камере на 70–90% состоит из разработанного грунта, в то время как у щитов с суспензионным пригрузом –– на 90% из жидкости. Это напрямую влияет на плотность суспензии и распределение давления в забое. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в п. 2.3. Также существует различие в системах извлечения разрабатываемого грунта. В то же время общий принцип работы щитов схож .

Рассмотрение технологии строительства с точки зрения воздействия на массив будет производиться на примере ТПМК Herrenknecht AG с грунтопригрузом забоя (рисунок 1.1) .

Рисунок 1.1 – Проходческий щит Herrenknecht Проходка тоннелей с использованием щита с грунтопригрузом (EPB –Earth Pressure Balance) основана на принципе поддержки лба забоя при помощи вырабатываемой породы за счет создания надлежащего баланса между количеством разработанного материала в забое, помещаемого в призабойную камеру, поддерживаемого под давлением за счет продвига щита, и количеством материала, удаляемого шнеком (рисунок 1 .

2) .

Рисунок 1.2 – Поддержка лба забоя с помощью грунтопригруза Призабойная камера занимает пространство, создаваемое между лбом забоя и герметичной перегородкой камеры .

Основное назначение такой камеры – обеспечение давления на грунт забоя, что позволяет организовать работы в зоне оболочки щита при обычном атмосферном давлении .

В отличие от традиционных щитовых механизированных комплексов (например, таких как КТ-5.6), широко используемых в практике тоннеле и метростроения, разработка и выдача породы, передвижка щита и нагнетание раствора в заобделочное пространство происходит одновременно. Остановка ТПМК происходит только на период монтажа очередного кольца блочной обделки .

Тоннелепроходческий комплекс в основном состоит из двух основных частей (рисунок 1.3): из проходческого щита и технологической тележки .

Рассматриваемый нами проходческий щит предназначен для проходки в глинистых и песчаных грунтах [82].

Он состоит из тяжелых металлоконструкций, включающих в себя все основное оборудование ТПМК (рисунок 1.4), а именно:

- основной привод, к которому присоединен ротор ТПМК;

- блокоукладчик;

- шнек для отвала грунта с фронтальной заслонкой;

- барокамеру;

- систему проходческих домкратов;

- систему нагнетания .

Рисунок 1.3 – ТПМК Herrenknecht S-782 Данная цилиндрическая конструкция позволяет обеспечить безопасность персонала, занятого на проходческих работах .

Механизированный щит ТПМК условно делится на три секции: головную (длина 3,0 м), среднюю (длина 3,5 м) и хвостовую (длина 3,5 м) .

В головной секции расположен рабочий орган с главным приводом .

Средняя секция –– основная несущая конструкция щита, в которой размещены щитовые домкраты. Хвостовая оболочка, под защитой которой собирается очередное кольцо обделки, снабжена системой щеточных уплотнителей (герметично отделяющих заобделочное пространство) и системой для нагнентания тампонажного раствора в заобделочное пространство (рисунок 1.4) .

Диаметры указанных элементов различаются. Так, например, для рассматриваемого нами ТПМК Herrenknecht диаметр головной секции щита 10620 мм, средней секции 10600 мм, хвостовой –– 10580 мм. В зависимости от используемых контурных шарошек может варьироваться диаметр рабочего органа (в данном случае от 10650 до 10720 мм) .

Рисунок 1.4 – Проходческий щит Herrenknecht: 1 – рабочий орган (ротор); 2

– призабойная камера; 3 – основной привод; 4 – блокоукладчик; 5 – шнековый транспортер; 6 – барокамера; 7 – проходческий домкрат .

Грунт в забое разрыхляется режущим органом, расположенным в головной части ТПМК, и доставляется в призабойную камеру через соответствующие окна, предусмотренные в роторе. Отработанный материал может использоваться в призабойной камере только в том случае, если он обладает хорошей пластичностью, которой при необходимости можно добиться благодаря добавлению в этот материал различных присадок, таких как бентонит и пена. Данные продукты нагнетаются в грунт через соответствующие форсунки, расположенные на роторе .

Ротор комплекса состоит из сегментов с различными режущими элементами, которые обеспечивают проходку. Комплект режущего инструмента для проходки в зависимости от типа грунтов может включать в себя фронтальные и контурные шарошки, резцы и ковши. Также на роторе могут быть расположены пластины и ряды грильбара для защиты от износа .

Рабочий орган оснащается форсунками для кондиционирования грунта и системой определения состояния изношенности режущего инструмента .

Сразу стоит отметить, что проходка на большой скорости в грунтах с включениями валунов приводит к быстрому износу не только режущих элементов, но и поверхности ротора (рисунок 1.5) .

Как было отмечено раннее, после разрыхления рабочим органом грунт поступает в призабойную камеру, где, смешиваясь с присадками кондиционирования, используется для поддержания устойчивости лба забоя .

В штатном режиме работы ТПМК призабойная камера полностью заполнена пластичным материалом, и в подобных случаях проходка проводится в так называемом «закрытом режиме». На перегородке устанавливаются датчики для измерения давления в призабойной камере. Они устанавливаются на различных уровнях, слева и справа от привода. Первый уровень располагается в призабойной камере в максимально высоком положении, а нижний уровень на отметке шнека для отвала грунта. В рассматриваемом нами в качестве примера комплексе было установлено семь датчиков давления (рисунок 1.6) .

–  –  –

Рисунок 1.5 – Ротор проходческого комплекса Herrenknecht S-782 при выходе в котлован для проведения технического обслуживания: а – повреждения поверхности ротора; б – повреждения контурной шарошки Рисунок 1 .

6 – Расположение датчиков давления в призабойной камере В нижней части через изолирующую перегородку призабойной камеры проходит шнековый транспортер, который извлекает отработанный в процессе проходки материал, поддерживая давление в призабойной камере на необходимом уровне. Длина шнека рассчитана таким образом, чтобы обеспечить уменьшение давления до атмосферного в точке перегрузки материала на ленточный транспортер, поддерживая при этом более высокое давление в призабойной камере. Объем отвала грунта можно отрегулировать, изменив количество оборотов шнека и расположение разгрузочной заслонки .

Извлекаемый шнеком материал подается на ленточный транспортер ТПМК, затем перегружается на тоннельный транспортер и перемещается на поверхность .

Монтаж обделки осуществляется при помощи блокоукладчика, работающего по принципу вакуумного захвата и оснащенного гидравлическими системами для перемещения во всех измерениях (бокового, продольного и вращательного) .

Сборная железобетонная водонепроницаемая обделка включает в себя кольца, каждое из которых состоит из нескольких блоков. В рассматриваемом нами случае обделка состояла из шести блоков плюс замковый (рисунок 1.7) .

Рисунок 1.7 - Кольцо из сборных блоков

Водонепроницаемость конструкции обделки обеспечивается плотной структурой водонепроницаемого бетона (класс бетонов W) блоков без раковин, трещин, а также применением гидроизолирующих уплотнительных прокладок в стыках, обжимаемых при монтаже обделки и находящихся в упруго-сжатом состоянии в течение всего периода эксплуатации обделки .

Анализируя механические параметры блочной обделки можно отметить, что чаще всего она проектируется со значительным коэффициентом запаса по прочности и деформируемости .

Продвижение щита обеспечивается системой гидравлических домкратов, которые отталкиваются от очередного смонтированного кольца обделки тоннеля, увеличивая давление в призабойной камере. Положение и количество проходческих домкратов определено таким образом, чтобы они могли передавать равномерное усилие на кольца при давлении, не нарушающем целостности конструкции .

Группы домкратов оказывают давление на блоки обделки через распределительный шарнирный башмак. Система спроектирована и устроена таким образом, чтобы при давлении на обделку сократить до минимума тангенциальные усилия .

Домкраты объединены в группы, и на стадии проходки щита машинист, регулируя давление в каждой отдельной группе, может контролировать направление продвижения ТПМК (рисунок 1.8) .

Рисунок 1.8 – Расположение групп домкратов Пространство между сечением выработки и внешней поверхностью обделки, которое щит оставляет по мере продвижения, заполняется посредством синхронного нагнетания цементного раствора для стабилизации кольца, обеспечения обжатия радиальных стыков и минимизации оседания поверхности .

Величина зазора между обделкой и породой, как разность между радиусом ротора комплекса и внешним радиусом обделки варьируется в зависимости от геометрических параметров щита. В рассматриваемом нами случае оно составляет 175–210 мм (в зависимости от режима проходки) .

Величина давления нагнетания рассчитывается относительно давления в призабойной камере. Оно должно быть по крайней мере на 0,5 бар ниже давления, подаваемого на забой. Это обеспечивает нагнетание раствора в заобделочное пространство без риска утечки в направлении лба забоя .

На практике в процессе проходки давление подачи тампонажного раствора устанавливают таким образом, чтобы в заобделочное пространство было произведено нагнетание необходимого количества раствора .

Объем нагнетания варьируется в зависимости от выбранного режима проходки. В большинстве случаев нагнетание производится из расчета заполнения 100% заобделочного пространства. В то же время при применении технологии перенагнетания берется объем превышающий теоретический (110% – 130%) .

Количество нагнетаемого раствора контролируется для каждого кольца с помощью датчиков объема, расположенных в насосах системы нагнетания, которые представляют собой индикаторы хода поршней насосов. На рисунке 1.9 представлен пример расположения линий нагнетания .

Рисунок 1.9 – Расположение линий нагнетания тампонажного раствора

Хвостовая часть щита оснащена тремя рядами щеток уплотнения и соответствующими камерами (пространство между рядами), которые постоянно заполняются смазочным материалом через систему, контролирующую объем и давление нагнетания (рисунок 1.10). Таким образом, щеточное уплотнение препятствует проникновению тампонажного раствора в зону рабочего пространства ТПМК .

В момент завершения монтажа очередного кольца автоматически происходит запись показателей различных подсистем комплекса в протоколе проходки и протоколе навигации .

В протоколе проходки отражаются данные о времени и дате установки кольца, режиме работы ротора (число оборотов, крутящий момент и т.д.), силе поданного давления и величине выдвижения каждой группы домкратов, скорости проходки, объема нагнетаемого раствора по каждой линии нагнетания, параметрах транспортного шнека, давлении грунтопригруза в забое, данные с установок по приготовлению пены и т.д .

Рисунок 1.10 – Ряды щеток уплотнения

В протоколе навигации фиксируется положение щита в пространстве относительно проектной оси. С помощью двухосевого наклонометра (инклиномера) и привязки мишени, установленной в районе шлюза барокамеры, определяются такие параметры проходки как горизонтальная и вертикальная тенденция щита, тангаж и крен, отклонение ротора и хвостовой части щита по горизонтали и вертикали от проектной оси. Также в отдельном протоколе кольца выводятся данные о его положении относительно проектной оси и юбки щита .

В связи с тем, что современные ТПМК с пригрузом забоя способны влиять на напряженно-деформированное состояние массива в процессе строительства, достоверная оценка сдвижений и деформаций должна опираться на данные о режимах проходки и вкладе каждой подсистемы в сдвижения на поверхности земли. Не смотря на возможность получения многосторонней информации о параметрах работы систем проходческого комплекса, для ее дальнейшего использования необходим предварительный анализ .

1.4 Методы прогноза сдвижений и деформаций при строительстве тоннелей В основу методологии защиты зданий и сооружений положено решение четырех основных задач:

– прогноз сдвижений и деформаций;

– оценка воздействия на здания и сооружения, попадающих в зону влияния;

– обоснование мер защиты;

– мониторинг фактических деформаций .

Наиболее сложной и наукоемкой задачей является прогноз сдвиженй и деформаций .

Впервые оценка сдвижений и деформаций поверхности земли стала проводиться при отработке месторождений полезных ископаемых. С развитием промышленности и ростом городов вблизи источников сырья возникла необходимость в предварительной оценке возможного влияния горных работ на здания и сооружения. Особенно остро этот вопрос стоял в Западной Европе, где уже во второй половине 19 века проводились исследования сдвижений и деформаций поверхности земли. На их основе были разработаны первые теории сдвижения горных пород и принципы защиты подрабатываемых зданий и сооружений [49] .

В нашей стране интенсивное развитие исследований в данной области связанно с созданием в 30-х годах XX века ЦНИМБ (Всесоюзного научноисследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела – ВНИМИ). Научные разработки этого института вывели нашу страну по уровню исследования данной проблемы на одно из первых мест в мире .

С развитием крупных городов возникла необходимость в совершенствовании их транспортной инфраструктуры, которое подразумевало освоение подземного пространства. Методики оценки сдвижений и деформаций, применяемые в горной промышленности, были адаптированы для условий городского подземного строительства .

Имеющийся арсенал методов оценки сдвижений и деформаций поверхности при ведении подземных горных работ можно условно разделить на три большие группы: эмпирические и полуэмпирические, аналитические и аналитико-эмпирические, математическое моделирование на базе численных методов .

Эмпирические и полуэмпирические методы расчета В нашей стране методики предрасчета сдвижений и деформаций в основном разрабатывались на основе систематических наблюдений сдвижений на угольных и рудных месторождениях. Большой вклад в изучение процессов деформирования массива был сделан С.Г.Авершиным, И.М.Бахуриным, В.М.Варлашкиным, В.Н.Земисевым, Д.А.Казаковским, Р.А.Муллером, М.А.Иофисом и др. [1-4, 9-11,15,35,40,41,48,51,60,61,68,76], которые заложили основы, до сих пор используемой, методологии охраны зданий и сооружений. На основе исследований ВНИМИ был выпущен ряд нормативных документов [34,72], которые в виде актуализированных версий регламентируют процессы подработки и сейчас .

Одним из наиболее распространенных полуэмпирических методов является метод типовых кривых. Применение такого подхода для оценки сдвижений и деформаций в условиях классического строительства тоннелей осуществлено в условиях Санкт-Петербурга и Москвы М.А. Иофисом .

Полученные по данной методике типовые кривые были закреплены в нормативном документе и пособии [38,71] .

По методике, предложенной М.А. Иофисом, максимальные сдвижения и деформаций земной поверхности (оседание, наклон, кривизна, горизонтальное сдвижение и деформация) вычисляются с учетом величины прогиба кровли выработки и эмпирически полученных коэффициентов, характеризующих горногеологические условия строительства.

Так максимальное оседание земной поверхности вычисляется по формуле:

–  –  –

где mэ эффективная мощность, q -коэффициент, зависящий от типа станции, оседания поверхности впереди движущегося забоя .

Также в этой работе было выявлено, что величина максимального оседания и длинна полумульды может быть вычислена через максимальные величины сдвижений и деформаций земной поверхности над выделенными зонами растяжения или сжатия .

Рисунок 1.11 – Расчетная схема на базе оценки составляющих эффективной мощности и оседаний земной поверхности М .

В.Долгих .

Не смотря на то, что данная методика может быть использована для вычисления значений оседаний при строительстве тоннелей, ее применение затруднено из-за сложности определения значения эффективной мощности и изменения горно-геологических условий строительства современных выработок метрополитена .

Аналитические и аналитико-эмпирические методы расчета Аналитико-эмпирические методы расчета, специально сориентированные на тоннеле и метростроение, опираются на точные аналитические решения механики сплошной среды, с помощью которых определяются основные параметры мульд сдвижений, а также на метод типовых кривых. Здесь следует отметить исследования Ю.А.Лиманова, В.Ф.Подакова, В.П.Хуцкого, Е.А. Демешко, В.А. Ходоша и других ученых [28,29,52,69,70,89,90], где решается задача определения мульды сдвижения при строительстве перегонных и эскалаторных тоннелей, а также станций метрополитена традиционными способами. По результатам исследований для условий Санкт-Петербурга было создано «Пособие…» [71]. Здесь рекомендуется максимальные ожидаемые оседания земной поверхности над осью перегонных тоннелей в кембрийских глинах рассчитывать по методике проф. Лиманова Ю.А.

[71]:

–  –  –

0 1,000 0 -2,3 0,1 0,923 -1,16 -5,9 0,2 0,768 -1,56 -2,3 0,3 0,610 -1,62 0,2 0,4 0,452 -1,53 1,8 0,5 0,312 -1,27 2,6 0,6 0,198 -1,00 2,7 0,7 0,111 -0,74 2,7 0,8 0,051 -0,46 2,6 0,9 0,018 -0,21 2,0 1,0 0 0 0

–  –  –

где x - оседание поверхности в точке с абсциссой x;

x - горизонтальные сдвижения поверхности в точке с абсциссой x;

z0 – расстояние от оси тоннеля до поверхности земли;

px – параметр ширины мульды .

В основном, данная методика используется для предварительной оценки возможных сдвижений и деформаций поверхности на стадии проектирования тоннелей. К сожалению, ее нельзя использовать для более точного прогноза из-за невозможности учета активного воздействия на массив, которое производится при использовании современных технологий проходки .

Математическое моделирование на базе численных методов .

В последние годы с развитием возможностей ЭВМ все более успешно для оценки сдвижений и деформаций применяются численные методы математического моделирования, такие как метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей, метод граничных элементов и др. Наибольшее распространение из них на данный момент получил МКЭ. Суть данного метода заключается в разбиении расчетной области на элементы конечных размеров, совместность деформаций в которых обеспечивается в узловых точках. В самих элементах напряжения и деформации описываются элементарными функциями .

Большим плюсом описания геомеханических процессов с помощью таких моделей является возможность учета в них многих особенностей массива и технологии строительства .

Метод конечных элементов широко используется для геомеханического моделирования строительства тоннелей и подземных сооружений в целом. Здесь можно отметить современные работы А.Г. Протосени, В.М. Улицкого, В.В. Речицкого, Д.В. Панфилова, Д.А. Потемкина, М.А. Карасева, П.А. Деменкова, И.К. Спруна, Фам Ань Туана и др.[16,21,22,42-44,67,74,75,79В работе В.В. Речицкого [75] выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на оседания поверхности в слабых грунтах. К ним отнесены диаметр тоннеля, модуль деформации грунтов и степень разгрузки массива .

Расчеты производились как в упругой, так и в упруго-пластической постановке и показали существенное различие в полученных результатах. Наибольшее расхождение в оседаниях над осью тоннеля было зафиксировано у супесей, минимальное у глин. Также было установлено, что размеры зон влияния подземных работ (ширина мульды оседания поверхности) определяются в основном типом грунта и глубиной залегания тоннеля. В то же время в данной работе не была учтена специфика воздействия современных технологий проходки на массив, т.к. расчеты производились в двухмерной постановке .

Д.В. Панфилов в своей работе [67] проанализировал и отметил основные недостатки методов расчета сдвижений в двухмерной постановке. Была разработана методика пространственного моделирования процессов деформирования массива. Выделены случаи, где необходимо производить расчет оседаний в трехмерной постановке. Однако используемые здесь подходы не всегда подходят для некоторых вариантов нагнетания в заобделочное пространство. Так, например, сейчас при строительстве тоннелей с помощью ТПМК наряду с подачей пригруза, поддерживающего лоб забоя во время проходки, может производиться избыточное нагнетание тампонажного раствора в заобделочное пространство, что значительным образом влияет на НДС массива, особенно при малых глубинах заложения тоннеля. Так при строительстве перегонного двупутного тоннеля метрополитена мелкого заложения в Санкт-Петербурге с применением такого «перенагнетания» были зафиксированы поднятия над осью тоннеля вплоть до 50 мм [17,18] .

В работе Фам Ань Туана [87] отмечалась необходимость учета в моделях проходки с помощью ТПМК конусности щита, величины перебора грунта, давления на забой и степени заполнения заобделочного пространства .

Нагнетание за обделку имитировалось с помощью дополнительного порового давления в поперечном сечении тоннеля. По результатам численных экспериментов при определенных значениях заполнения заобделочного пространства фиксировалось поднятие грунтового массива. В связи с тем, что в данном исследовании «перенагнетание» не рассматривалось (да и сами значения пучений были незначительны), данный эффект не учитывался и не изучался .

Отдельно стоит отметить работы С.В.Мазеина [53-58], в которых было проведено детальное изучение влияния изменения режимов проходки на сдвижения поверхности и обоснованы управляющие воздействия, минимизирующие оседания. Данные исследования были произведены на основе большого объема натурных данных, полученных при проходке Лефортовского и Серебряноборских тоннелей в Москве. Автором была разработана методика текущего предрасчета сдвижений на основе мониторинга объемного или массового расхода извлекаемой при щитовой проходке горной массы .

С.В. Мазеиным отдельно отмечается необходимость в совместном дискретнонепрерывном маркшейдерском и геофизическом мониторинге структурных неоднородностей массива впереди забоя, объемов извлекаемой горной массы и пространственного положения щита для корректного выбора режимов проходки в сложных горно-геологических условиях. В то же время здесь также не исследовалась проблема воздействия на НДС массива избыточного нагнетания в заобделочное пространство .

Основным недостатком большинства работ опирающихся на математическое моделирование является ориентация на решение технологических задач проходки, вопросы оценки вредного влияния здесь находятся на втором плане, задача обеспечения охраны подрабатываемых зданий и сооружений, как это принято в маркшейдерской практике, практически не рассматриваются .

Существующие на данный момент аналитические и эмпирические методы предварительного расчета сдвижений и деформаций поверхности разработаны для условий строительства тоннелей глубокого заложения с использованием традиционных методов проходки. В связи с этим они могут быть применены для современных условий строительства лишь с целью предварительной оценки .

По результатам проведенного анализа стоит отметить, что проблема оценки сдвижений и деформаций при проходке тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя в сложных горногеологических условиях все еще остается актуальной .

1.5 Влияние деформаций земной поверхности на здания и сооружения при строительстве тоннелей. Критерии подработки Степень вредного влияния горных работ при строительстве перегонных тоннелей на здания и сооружения зависит от величины деформаций земной поверхности, а также от размеров, конфигураций, конструктивных особенностей, эксплуатационно-технического состояния и расположения зданий и сооружений в мульде сдвижения [71,23] .

В связи со сложным и неравномерным характером распределения деформаций в мульде сдвижений, образующихся при строительстве тоннелей, подрабатываемые здания подвергаются влиянию как положительной, так и отрицательной кривизны земной поверхности, что приводит к их значительным повреждениям (рисунок 1.13). Так, например, для зданий, построенных по жесткой конструктивной схеме, воздействие деформаций земной поверхности показано на рисунке 1.14 .

Рисунок 1.13 – Результат подработки зданий при строительстве пересадочного комплекса "Сенная площадь–Садовая–Спасская" Рисунок 1 .

14 – Схемы воздействия деформаций земной поверхности на здание с жесткой конструктивной схемой: а – неравномерные вертикальные деформации (положительная кривизна); б – неравномерные вертикальные деформации (отрицательная кривизна); в – наклон; y – неравномерные оседания земной поверхности относительно оси здания; x – расстояние от центральной оси здания до рассматриваемого элемента или точки в пределах здания; q – погонная нагрузка на фундамент; P – отпор грунта под подошвой фундамента; N – вес здания; Ni – составляющая веса здания параллельно земной поверхности, получившей наклон Наиболее сложные воздействия деформаций земной поверхности испытывают здания и сооружения, расположенные на участке перегиба мульды (на участке изменения формы кривой) (рисунок 1.15) .

Рисунок 1.15 – Схема воздействия перегиба мульды сдвижения на здание:

- максимальное оседание в мульде; С1 – точка перегиба полумульды В нормативных документах, регламентирующих подработку зданий и сооружений при строительстве тоннелей, должны содержаться критерии, учитывающие столь сложный процесс деформаций поверхности и оснований. На данный момент документов, имеющих прямое отношение к оценке вредного влияния при строительстве выработок метрополитена нет. Для оценки влияния деформаций массива на здания и сооружения в основном применяется СП 22.13330.2011 [64], в Санкт-Петербурге – ТСН 50-302-2004 [73]. Данные нормативные документы регламентируют строительство зданий и подземных сооружений открытым способом. Значение предельно допустимых дополнительных деформаций по ним определяется с помощью таких показателей как осадки, относительная разность осадок, крен подрабатываемого объекта .

Значения данных критериев соответствуют таким дополнительным деформациям соседней застройки, реализация которых не приведет к повреждению их конструкций, в том числе, к образованию и раскрытию трещин. Для зданий, имеющих ценную в художественном отношении наружную или внутреннюю отделку, в том числе памятников истории и архитектуры, значение осадок и разности осадок определяются из условия недопущения их повреждения .

В соответствии с критериями СП 22.13330.2011 [64] для зданий исторической застройки третьей категории технического состояния предельные допустимые значения оседаний составляют всего 5 мм, что соизмеримо с точностью проведения нивелировок основания. Фактически такими значениями предельных оседаний (сдвижений) данный нормативный документ не допускает подработку такого вида зданий, что вызывает вопросы относительно обоснованности представленных критериев и их значений [23]. Можно отметить, что указанные в данных документах критерии не могут полноценно отражать влияние нового строительства и реконструкции на соседнюю застройку при проектировании наземных объектов .

Использование подобных критериев при оценке влияния проходки подземных сооружений закрытым способом вообще недопустимо, т.к. они не учитывают влияние неравномерности сдвижений, проявляющейся в горизонтальных деформациях и кривизне мульды сдвижения. Такие неравномерности особенно характерны для подземного способа работ. Их количественная оценка, как известно, производится по их первым производным

–– деформациям .

С этой точки зрения более подходящим критерием является показатель суммарных деформаций l из Правил охраны ПБ 07-269-98 [72], объединяющий в себе параметры горизонтальных деформаций и кривизны поверхности и учитывающий длину и высоту и здания. В то же время, нормативные показатели деформаций l Д Н и l П Н, полученные в ходе обработки больших объемов натурных данных при подработке зданий и сооружений в Донецком, Карагандинском, Кузнецком и других угольных бассейнах, можно применять только для 1-5 этажных домов, в то время как влиянию проходки тоннелей метрополитена могут подвергаться дома с этажностью более 5 .

В отличие от условий разработки месторождений полезных ископаемых, подземное строительство в городах характеризуется гораздо меньшими глубинами горных работ, малыми размерами зон влияния и сильной изменчивостью показателей деформаций в мульдах даже в пределах контура одного здания. При этом задача расчета показателя суммарных деформаций l [72] становится не столь однозначной из-за резкого перепада значений горизонтальных деформаций и кривизны в пределах здания .

Для оценки степени вредного влияния горных работ можно использовать указанные выше критерии и показатели лишь в первом приближении (при взятии средних или экстремальных значений деформаций под зданием). Достоверная оценка степени вредного влияния должна опираться на детальное рассмотрение деформационных процессов в системе массив – здание. Такой анализ возможен только при привлечении средств физического или математического моделирования .

По результатам анализа проблемы оценки вредного влияния подземных строительных работ на здания и сооружения в условиях мегаполисов можно сделать вывод о необходимости разработки новых критериев деформаций и специализированных нормативных документов, которые учитывали бы особенности процессов деформирования массива в процессе проведения подземных строительных работ. Учет специфики деформирования массива и поверхности земли в условиях подземного строительства с применением современных технологий (см. п. 1.3) возможен только на основе подробного анализа натурных данных и результатов моделирования сдвижений и деформаций массива горных пород .

Выводы по первой главе

Освоение подземного пространства в мегаполисах необходимо для развития их транспортной инфраструктуры и повышения качества жизни. В то же время такой вид строительства оказывает негативное влияние на поверхность и расположенные на ней здания, сооружения и подземные коммуникации. В особенности остро эта проблема встает при строительстве крупных объектов мелкого заложения. К объектам такого рода относятся перегонные тоннели большого диаметра, строительство которых в неустойчивых породах закрытым способом на глубине соизмеримой с диаметром выработки возможно только с помощью специализированных тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) с пригрузом забоя .

Данные комплексы состоят и ряда сложных взаимосвязанных подсистем, каждая из которых способна влиять на напряженно-деформированное состояние массива и поверхности земли. Не смотря на то, что ТПМК с пригрузом забоя относятся к классу малоосадочных и призваны снизить влияние проходки на поверхность, строительство тоннелей мелкого заложения становится причиной возникновения сложных и неравномерных деформаций вмещающего массива. На поверхности могут возникать как оседания, достигающие 25 мм, так и поднятия массива до 50 мм .

Предварительный расчет такого рода деформаций невозможно произвести с помощью существующих численных методов, которые либо не учитывают активного воздействия проходческого комплекса на массив, либо основываются на усредненных данных о режимах проходки. Эмпирические и аналитические методы в данных условиях также не применимы, так как они привязаны к горногеологическим условиям строительства в коренных породах на больших глубинах .

Отдельно стоит выделить проблемы, связанные с точностью исходных инженерно-геологических данных, которые в зависимости от методики и технологии изысканий могут варьироваться в широких пределах .

Серьезной проблемой является отсутствие специализированного нормативного документа, регламентирующего подработку зданий и сооружений при подземном строительстве. Существующие на данный момент критерии оценки влияния не отражают специфики деформирования массива и поверхности в процессе такого вида работ, так как они относятся к сфере гражданского наземного строительства .

Все вышеотмеченное говорит о наличии проблемы оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве тоннелей большого диаметра с помощью ТПМК с грунтопригрузом.

В связи с этим можно сформулировать следующие задачи исследования для решения обозначенных проблем:

Необходимо произвести сбор и обработку имеющихся данных натурных исследований и организовать специальные мониторинговые наблюдения;

Изучить закономерности развития деформационных процессов в массиве при ведении горных работ с использованием данных о режимах работы подсистем тоннелепроходческих комплексов;

Произвести математическое моделирование геомеханических процессов на основе численных методов;

Разработать расчетную схему для прогнозной оценки сдвижений и деформаций;

Разработать методику мониторинговых наблюдений за деформациями .

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ ТПМК

Мониторинг сдвижений и деформаций призван обеспечить безопасность и контроль подработки при строительстве подземных сооружений. В то же время его целью является получение данных для изучения процессов деформирования вмещающего массива и подрабатываемых объектов. В особенности это актуально при строительстве с использованием современных технологий, активное воздействие которых на массив в данный момент мало изучено .

От выбранного метода мониторинга зависит степень достоверности получаемых данных и точность интерпретирования процесса сдвижения. В условиях строительства с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) с пригрузом забоя, где конечное значение и характер распределения сдвижений зависит от выбранных режимов проходки, мониторинг должен обеспечить получение данных о вкладе каждой подсистемы комплекса в конечные значения проявляющихся деформаций массива и поверхности .

Современные автоматизированные системы позволяют производить беспрерывный мониторинг сдвижений. В то же время использование таких систем практически не регламентировано нормативными документами и требует разработки методик их применения с учетом геомеханических особенностей деформирования массива .

2.1 Основные объекты натурных исследований

Основными объектами, которые были источниками натурных данных в работе, являются перегонные тоннели Фрунзенского радиуса между станциями «Южная» и «Проспект Славы» и Кировско-Выборгской линии на участке «Размыв» Санкт-Петербургского метрополитена, а также Лефортовский и Серебряноборские транспортные тоннели в Москве .

В 1998–2003 гг. для восстановления Кировско-Выборгской линии СанктПетербургского метрополитена была выполнена проходка перегонных тоннелей ТПМК «Виктория» с гидропригрузом (рисунок 2.1) на участке «Размыв» между станциями «Лесная» и «Пл.Мужества» .

Рисунок 2.1 – ТПМК «Виктория»

Интерес с точки горно-геологических условий представляют два участка перегонного тоннеля пройденные в пределах протерозойской толщи до размыва (со стороны станции «Лесная») и после размыва (со стороны станции «Пл.Мужества»). Второй участок менее показателен, так как протяженность участка тоннеля в протерозойской толще здесь невелика и возможно проявление деформационных процессов от сооружения монтажно-демонтажной камеры большого сечения около станции «Пл.Мужества». На обоих участках были сооружены два перегонных тоннеля. Сначала был построен правый перегонный тоннель (ППТ) от монтажной камеры ствола (со стороны станции «Лесная») до монтажно-демонтажной камеры (около станции «Пл.Мужества»). В монтажнодемонтажной камере комплекс был развернут и была осуществлена проходка левого перегонного тоннеля (ЛПТ). Диаметр щита ТПМК 7,4 м, его длина 7,5 м .

Внешний диаметр высокоточной герметичной обделки из ж/б блоков 7,1 м, внутренний 6,4 м. Расстояние между тоннелями меняется по трассе от 25 до 10 метров. Профиль трассы характеризуется увеличением отметок в зоне размыва, максимальный уклон 0,035 .

Участки можно охарактеризовать как типичные с точки зрения геологических условий для Санкт-Петербурга. Нижняя часть разреза до глубин более 80 метров представлена верхнепротерозойскими отложениями, где основной является толща твердой аргиллитоподобной глины с прослоями песчаника. Верхняя часть разреза представлена четвертичными (верхнечетвертичными, верхнее-среднечетвертичными и верхнечетвертичными) породами мощностью 40-50 метров, включающими пески, супеси, суглинки и глины лужской и московской морен, межморенных и межледниковых отложений .

Глубина заложения тоннеля на первом участке под Новороссийской улицей была 58 м, расстояние между тоннелями 21 м. На втором участке, расположенном под площадью Мужества со стороны проспекта Непокоренных, глубина заложения тоннелей составила 63 м. Расстояние между тоннелями 11 м .

Серебряноборские и Лефортовский тоннели в Москве были проедены ТПМК с гидропригрузом фирмы «Herrenknecht» диаметром 14,2м. Внутренний диаметр выработок составил 12,35м [62] .

Лефортовский автомобильный тоннель является частью третьего транспортного кольца и был построен в 2003 году. Его протяженность составляет 3,2 км из которых закрытым способом было проедено 2,2 км. Средняя скорость строительства была 155 м/мес .

Серебряноборские транспортные тоннели (левый и правый) представляют собой двухъярусные комбинированные тоннели, в которых совмещено движение на нескольких уровнях. Верхний ярус отведен для автотранспорта, а нижний для движения поездов метрополитена. Строительство тоннелей было завершено в 2007 г. Его протяженность составляет 3,1 км из которых закрытым способом было проедено 1,5 км. Средняя скорость строительства была 16 м/сут .

Строительство тоннелей велось в песчаных и глинистых грунтах четвертичного, мелового и юрских возрастов. Глубина заложения тоннелей варьировалась в пределах 21–45 м от поверхности земли .

Первый двупутный перегонный тоннель в Санкт-Петербурге между станциями «Южная» и «Проспект Славы» был проеден в июле 2015 года .

Выработка внешним диаметром 10,3 м и протяженностью более 4 км сооружалась ТПМК с грунтопригрузом Herrenknecht S-782 (см. п. 1.3) в разных условиях заложения, в том числе в различных инженерно-геологических условиях. От стартового котлована до ст. «Дунайский проспект» обделка была расположена в совершенно неустойчивых грунтах — моренных суглинках .

Глубина заложения тоннеля от дневной поверхности (по шелыге свода) на этом участке составляет, в основном, от 10,0 м до 13,6 м (за исключением участка в районе стартового котлована). В основании тоннеля –– глинистые грунты полутвердой и твердой консистенции. Толща грунтов практически сухая. В толще моренных грунтов могут встречаться линзы водонасыщенных песков .

От границы станции «Дунайский проспект» до демонтажной камеры глубина заложения тоннеля увеличивался с 11 м до 51 м. На такой глубине тоннель проходился в ненарушенных нижнекембрийских глинах с прослоями водоносных кварцевых песчаников и в плотных аргиллито-подобных котлинских глинах твердой консистенции. Глины по своим прочностным и деформационным свойствам относятся к полускальным породам низкой прочности, слабой устойчивости .

Рисунок 2.2 – Поперечное сечение двупутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса Характеризуя тоннель в конструктивном отношении (рисунок 2 .

2) можно отметить, что его поперечное сечение кругового очертания принято с учетом обеспечения габаритов приближения строений, оборудования, подвижного состава с междупутьем 4,0 м и размещения вне габарита приближения оборудования служебных дорожек и мостиков, путей эвакуации пассажиров, а также технологического обустройства тоннелей (устройства пути, автоматики, телемеханики, связи, электроснабжения, освещения, сантехники и пр.). Скорость строительства достигала 200-300 м/мес .

2.2 Методы натурных исследований

Объектами мониторинга в процессе подземного строительства являются вмещающий массив, подрабатываемые объекты инфраструктуры, наземные сооружения, а также конструкции возводимого объекта. Для обеспечения безопасности и изучения процесса подработки каждого из этих объектов существуют различные методы наблюдений и контроля их состояния .

2.2.1 Мониторинг конструктивных элементов тоннеля

При подземном строительстве под воздействием горного давления возможны деформации тоннельной обделки. Они могут проявляться в виде оседания свода тоннеля, выпучивания лотков и обратных сводов, эллиптичности тоннельной обделки круглого очертания и пр .

Наблюдение за конструкциями тоннеля после их возведения производится как маркшейдерско-геодезическими способами, регламентированными ВСН 160–69 [37], так и с помощью датчиков .

Согласно ВСН 160-69 [37], в перегонных тоннелях контроль деформаций кольца производится посредством определения его эллиптичности, т.е .

измерения горизонтальных и косых диаметров колец (рисунок 2.3). Также на всех перегонных тоннелях производят нивелирование свода и лотка тоннельной обделки через каждые 5 м готового тоннеля, а также полигонометрических знаков и реперов .

Периодичность наблюдений устанавливается в зависимости от интенсивности происходящих деформаций. На участки или конструкции, где деформации наиболее интенсивны, составляются специальные чертежи, дающие наглядное представление о характере и направлении деформации .

Рисунок 2.3 – Эллиптичность кольца: 1– проектное положение; 2– фактическое положение; 3– горизонтальная эллиптичность (А-В); 4– вертикальная эллиптичность (Д-С); 5– косая эллиптичность (Е-К) В местах строительства тоннелей под особо значимыми объектами в обделку закладываются датчики для определения нормальных тангенсальных напряжений .

а). б) .

Рисунок 2.4 – Схема размещения датчиков на кольцах обделки: а – под углом к оси тоннеля; б – вдоль оси и на уровне серединного диаметра Датчики монтируются на внешнем и внутреннем контурах блоков обделки в арматурном каркасе .

Измерения производятся с учетом скорости проходки и интенсивности проявления деформаций. После каждого замера вычисляются напряжения. Пример размещения датчиков в контуре кольца при строительстве Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена приведен на рисунке 2.4 [7]. Наилучшим расположением датчиков, с точки зрения получения исчерпывающих данных о НДС обделки и удобства дальнейшей интерпретации данных, является их установка в блоках в своде, в лотке и на уровне серединного диаметра .

Дополнительным (необязательным и нерегламентированным инструкциями) средством контроля состояния обделки являются измерения на призмы устанавливаемые в блоки, которые регулярно осуществляются маркшейдерско-геодезическими методами .

Данные, получаемые по результатам мониторинга конструктивных элементов тоннеля, обычно необходимы для оценки состояния обделки, но могут использоваться для изучения исходного поля напряжений массива, а также таких возможных эффектов, как всплытие колец .

2.2.2 Мониторинг вмещающего массива

На данный момент наиболее распространенным методом наблюдения за массивом при проведении подземного строительства является скважинный мониторинг [6,20,59]. Основными видами датчиков, применяемых при данном виде мониторинга для определения сдвижений и деформаций пород, являются экстензометры и инклинометры [7] .

Экстензометры представляют собой измерительные приборы, предназначенные для определения параметров механической деформации твёрдых тел. Для производства скважинного мониторинга производителями предлагаются следующие виды экстензометров: стержневой, стационарный, съемный, магнитный и фиксированный .

Наиболее распространенный вид –– скважинные стержневые экстензометры. Именно они применялись при мониторинге массива в процессе проходки двух эскалаторных тоннелей (тоннели станций метро «Адмиралтейская» и «Спасская») и перегонного двупутного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена. Принцип работы скважинных стержневых экстензометров заключается в измерении с помощью струнного датчика или цифрового микрометра относительного сдвижения между якорями, устанавливаемыми в скважине, и базовой точкой на поверхности .

Деформации от якоря к датчику передается через цельный стеклопластиковый стержень в защитной муфте. Вид используемого датчика зависит от типа грунта .

В скальных породах используются цементируемые, в слабых грунтах –– якоря гидравлического типа. Система из нескольких экстензометров различной длины, установленных в одной скважине, позволяет следить за послойными смещениями грунтового массива (рисунок 2.5).Диапазон измерений до 150 мм, точность –– 0,2 0,5 % FS (доли от полной шкалы) в зависимости от типа считывающего устройства .

–  –  –

Рисунок 2.5 – Скважина с экстензометрами Для фиксирования якоря в скважине используется специальный цементнобентонито-зольный состав с регулируемой прочностью .

Его физикомеханические свойства подбираются таким образом, чтобы после затвердения они соответствовали аналогичным характеристикам массива. В этом случае обеспечивается свобода передачи деформаций от массива к якорю .

Для определения наклонов при скважинном мониторинге массива используют различные виды инклинометров. Существуют как съемные зонды, так и стационарные датчики. В зависимости от модификации они позволяют получать данные о наклоне в одной или двух плоскостях с точностью до 0,07% FS в диапазоне до 90. Использование двухосевых датчиков наклона в сочетании с экстензометрами позволяет производить 3-D мониторинг подрабатываемого массива .

2.2.3 Мониторинг поверхности земли

Наблюдения за деформациями и сдвижениями земной поверхности являются обязательными при производстве подземных строительных работ .

Маркшейдерско-геодезические методы мониторинга регламентированы следующими нормативными документами: Инструкцией по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей ВСН –160– 69[37], Инструкцией по РД 07–166–97 [38], которая была разработана для условий строительства подземных сооружений на территории Москвы, Методическим руководством по горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей [59]. При наблюдениях за деформациями часто используются ГОСТ 24846-81 «Грунты» [95] и «Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов» [39], не имеющие прямого отношения к мониторингу в процессе ведения подземного строительства .

Согласно действующим нормативным документам [38,59] деформационные реперы должны закладываться по профильным линиям, перпендикулярным оси тоннеля и вдоль нее в переделах зоны влияния. Реперы должны представлять собой грунтовые марки, изготовленные из металлических стержней, глубиной заложения не менее 0,5 м от границы промерзания грунта или стальные трубчатые марки. Расстояние между реперами должно составлять 5-10 м. Опорные реперы располагают вне зоны влияния в количестве двух-трех штук по краям профильной линии .

Наблюдения за деформационными реперами заключается в определении их сдвижений в плане и по высоте. Из-за отсутствия прямых указаний метод измерения и точность определяться в соответствии с ГОСТ 24846-81 [95] .

Согласно этому документу, точность измерений зависит от величины предполагаемых сдвижений (чем больше ожидаемая величина деформаций, тем ниже точность). В таком случае рассматривается задача однозначного выявления деформаций на уровне ожидаемых. При необходимости описания процесса сдвижения во времени можно руководствоваться другой методикой расчета точности измерений [33].

В данном случае исходят из величины скорости деформаций VФ:

VФ mVФ (2.1) 2t где VФ – скорость деформации, которая устанавливается в ходе геотехнического прогноза деформаций;

t - нормированный множитель, принимаемый обычно 2, 2.5 или 3 .

В условиях Санкт-Петербурга наблюдение за оседаниями в основном производится методом геометрического нивелирования III класса точности.

В данном случае допускаемая невязка вычисляется по формулам:

fдоп 10 L мм ; (2.2) f доп 1,5 n мм, (2.3) где L – длина хода в километрах; n – количество штативов (если число станций на 1 км хода более 15) .

До начала строительства дважды производится первичное нивелирование .

Периодичность повторных измерений определяется интенсивностью сдвижений, но не реже одного раза в месяц. Чаще всего нивелирование производится раз в две недели. Такая частота получения данных о сдвижении поверхности не дает возможности описать характер деформирования и обеспечить контроль подработки. В данном случае можно говорить лишь о выявлении конечных значений деформаций .

Наблюдения за плановыми перемещениями должно производиться отдельно. Его целью является определение горизонтальных сдвижений и деформаций поверхности. Фактически производится измерение длин интервалов между реперами, начиная и заканчивая базисной линией, с точностью, регламентированной ГОСТ 24846-81[95] .

Для определения характера деформаций поверхности и степени опасности подработки для наземных зданий и сооружений, производится дальнейшая обработка полученных данных измерений. Вычисляются значения оседаний и горизонтальных сдвижений, а за тем их производных –– наклонов im, кривизн

–  –  –

где m – оседание m-го репера; m–1 – оседание (m–1)-го репера; l0m, m–1 – горизонтальное расстояние между реперами m и m–1; im – наклон m-го интервала; im–1 – наклон (m–1)-го интервала; lcp – средняя длина интервалов; l n, m – расстояние между реперами n и m в данной серии наблюдений; l n0, m – то же в начальной серии наблюдений .

Наряду с традиционными методами маркшейдерско-геодезического мониторинга на данный момент находят применение и современные, такие как системы на базе роботизированных тахеометров. Применение таких приборов позволяет получать данные о сдвижениях поверхности в автоматическом режиме с высокой точностью и необходимой частотой по трем направлениям .

Наличие блока обработки информации позволяет получить такие параметры как скорость деформаций и производные по смещениям (таких как наклон и кривизна). В качестве деформационных марок здесь используются минипризмы (рисунок 2.6) .

Рисунок 2.6 –Минипризма автоматизированной системы мониторинга В то же время такой вид мониторинга поверхности на данный момент мало распространен в связи с высокой стоимостью оборудования и проблемами обеспечения безопасности при стационарной установке прибора .

2.2.4 Мониторинг подрабатываемых зданий и сооружений

Для контроля подработки и оценки вредного влияния на здания и сооружения производится мониторинг сдвижений и деформаций. Данный вид работ регламентируется перечисленным выше перечнем документов [37–39,59] .

Из-за отсутствия специальных документов в настоящее время предельные значения дополнительных деформаций определяются по таким нормативным документами как СП 22.13330.2011 [64] и ТСН 50–302–2004 [72] (критерии и проблемы оценки влияния подработки на здания при строительстве подземных сооружений см п. 1.5) .

Согласно нормативным документам, в процессе мониторинга необходимо отслеживать значения вертикальных значений сдвижений и наклонов фундамента, а также крен зданий, фиксировать трещины и другие повреждения конструкций. В промышленных зданиях должны также определяться горизонтальные сдвижения отдельно стоящих фундаментов колонн .

Дополнительно необходимо производить измерения деформаций грунта вблизи сооружений .

Мониторинг подрабатываемых зданий и сооружений может осуществляться как классическими маркшейдерско-геодезический методами, так и с помощью датчиков. Преимуществом первого метода является возможность оценки общего состояния здания по большому массиву контролируемых точек, в то время как мониторинг сдвижений и деформаций с помощью датчиков имеет более локальный характер. Тем не менее, традиционные методы мониторинга нередко уступают в оперативности и точности получения данных .

Большим преимуществом традиционного геодезического метода измерений является его регламентированность нормативными документами и большой опыт использования на практике. Согласно нормативным документам [37,59], деформационные репера закладывают по периметру в цоколь здания через 15–20 м (Рисунок 2.7), с обязательной установкой на углах и характерных выступах, по обе стороны от осадочного шва, в местах примыкания продольных и поперечных стен и т.д. В 2-3 м от фундамента следует закладывать грунтовые репера для определения взаимосвязи деформаций поверхности и здания .

Вертикальные перемещения фиксируются с помощью нивелирования по методике, представленной в п.2.2.3 .

Рисунок 2.7– Примеры расположения деформационных марок на зданиях и сооружениях Погрешность измерения крена для гражданских зданий не должна превышать 0,0001H .

Перспективным направлением развития систем геодезического контроля деформаций особо ответственных сооружений, становится создание постоянно действующих стационарных автоматических систем контроля (Рисунок 2.8) .

Мониторинг на основе роботизированных электронных тахеометров (РЭТ) позволяет своевременно и дистанционно в автоматическом режиме получать данные по трем координатам по большому массиву деформационных марок .

Программное обеспечение таких станций отслеживает тенденцию развития смещений и информирует в случае приближения к критическим значениям. При мониторинге есть возможность дополнять конфигурацию системы GNSSприёмниками. В то же время применение спутниковой аппаратуры для деформационного мониторинга усложнено условиями плотной городской застройки и возможно в процессе наблюдения за смещениями крупных высотных объектов .

Рисунок 2.8 –Мониторинг на базе роботизированного тахеометра здания по ул .

Смольного д.3, Санкт-Петербург Проведение мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений возможно осуществлять и с помощью автоматизированных систем на основе датчиков. Производителями оборудования предлагается широкий перечень данных приборов. Наклонометр, установленный на стенах, колонах и плитах перекрытия может позволить получать данные в непрерывном режиме о наклоне стен и конструкций здания. Чувствительный элемент такого датчика представляет из себя струну с подвешенным на ней грузом. Струнный датчик перемещения и раскрытия трещин с высокой точностью дает возможность наблюдать за динамикой раскрытия трещин, перемещений в деформационных швах (Рисунок 2.9) Рисунок 2.9 – Датчик раскрытия трещин В то же время существует ряд проблем связанных с применением данных систем при мониторинге зданий и сооружений. Организация такого вида наблюдений практически не регламентирована нормативными документами .

Разработка проекта мониторинга с применением оборудования такого вида должна основываться на детальном обследовании конструкций и точном предрасчете ожидаемых деформаций здания для определения мест, где есть необходимость в установке датчиков того или иного вида. Только в этом случае результаты мониторинга смогут отображать состояние конструкций здания в период подработки. Причиной отсутствия широкого распространения такого вида систем является высокая стоимость оборудования .

2.3 Методы контроля технологических параметров ТПМК

Современные технологии строительства тоннелей, на базе использования ТПМК с пригрузом забоя, характеризуются возможностями интенсивного воздействия на НДС массива [17]. При мелком заложении строящихся тоннелей даже незначительное изменение режимов проходки способно повлиять на величину и характер распределения сдвижений на земной поверхности. Именно поэтому анализ развития деформаций и выявление закономерностей должны осуществляться с привлечением данных по работе основных подсистем ТПМК .

К основными технологическими параметрами, определяющими уровень сдвижений для данной технологии, помимо традиционно рассматриваемых (способа крепления и характеристик обделки, глубины заложения и диаметра тоннеля), относятся: давление активного пригруза забоя, давление и объем раствора нагнетаемого в заобделочное пространство, диаметры ротора и оболочки щита ТПМК и их соотношение, ориентация щита и ротора в процессе разработки грунта, продольный крен и отклонения в плане щита ТПМК при проходке (рисунок 2.10). Рассмотрим и проанализируем основные особенности влияния указанных параметров на геомеханические процессы в породном массиве на примере проходки перегонных тоннелей ТПМК "Надежда" (исходные данные для анализа предоставлены КРТИ и ЛМГТ), Лефортовского и Серебряноборских транспортных тоннелей [53,62] .

Рисунок 2.10 –– Пример расчетной схемы для оценки сдвижений при проходке перегонного тоннеля ТПМК "Надежда":h1, h2, h3–– мощности слоев четвертичных отложений; S1,S2,S3–– основные зоны ТПМК; Pпр, Pнг–– давление пригруза забоя и нагнетания в заобделочное пространство; u –– сдвижения на поверхности земли Подача несбалансированного давления пригруза на забой может стать причиной проявления как пучений, так и оседаний на поверхности перед забоем .

Наиболее часто такой эффект проявляется при работе комплексов с суспензионным пригрузом забоя, т.к. при такой технологии проходки невозможно создать эквивалентное распределение давлений по всему забою для компенсации горизонтальной составляющей природного поля напряжений, из-за существенной разницы объемного веса суспензии и вмещающих пород. При использовании грунтопригруза условия обеспечения компенсации улучшаются (объемный вес грунтовой массы в призабойной камере и вмещающих пород практически совпадает), поэтому сдвижения перед забоем в штатном режиме проходки чаще всего не фиксируются .

Давление пригруза в процессе проходки, в основном, оценивается по датчику, расположенному в своде. В то же время по тем или иным техническим причинам отдельные датчики могут выдавать существенно завышенные или заниженные показатели. В связи с этим в процессе дельного анализа данных для условий мелкого заложения лучше всего оценивать распределение давлений пригруза по всем датчикам для получения более достоверной информации о ситуации в забое. При проходке тоннеля Фрунзенского радиуса на участке, где строительство производилось на глубине, соизмеримой с диаметром щита, значение пригруза на уровне свода (при нормальной работе датчиков) в основном варьировалось в пределах 1,9 – 2,1 бар, на уровне лотка в пределах 2,8–3,4 бар .

Значительное влияние на массив и поверхность оказывает работа системы нагнетания. От состава раствора, проектных объемов, давления нагнетания и гидрогеологических условий строительства зависит качество и распределение тампонажного камня по контуру сечения. Все эти параметры определяют и величину проявляющихся деформаций на поверхности .

Сразу стоит отметить, что произвести прямую оценку влияния давления нагнетания на поверхность достаточно сложно. Это связано с отсутствием информации о конечных значениях данного показателя в заобделочном пространстве –– датчики установлены только в каналах нагнетательной системы .

В связи с этим, регистрируемые системой контроля, показатели могут рассматриваться как завышенные. Так, при строительстве тоннелей Фрунзенского радиуса на глубине, соизмеримой с диаметром выработки, давление нагнетания варьировалось от 4 до 8 бар, в то время как среднее значение давление пригруза забоя на уровне свода составляло в среднем 2 бара .

Здесь важно отметить, что присутствия бентонита в призабойной зоне даже при столь больших значениях давления нагнетания раствора зафиксировано не было .

Анализируя фактические значения давлений с датчиков системы нагнетания можно заметить их широкий разброс как в пределах некоторых колец (от свода к лотку) так и от кольца кольцу, даже в пределах участков с относительно выдержанными внешними условиями. Значения давления с датчиков, находящихся на одном уровне могут отличаться в 1,5 раза .

При таком характере распределения и перепадах значений давлений в нагнетательной системе можно говорить о работе с усредненными показателями давлений невысокой достоверности. В связи с этим, при разработке расчетных схем для оценки воздействия системы нагнетания на массив, лучше всего оперировать значениями объемов нагнетания .

При проходке Лефортовского и Серебряноборских тоннелей в Москве однокомпонентный раствор нагнетался в объемах, исходя из расчета заполнения заобделочного пространства. По результатам косвенных оценок 100% фактическое значение заполнения здесь составило 70–90%. Массив в данном случае работал в режиме оседаний. При строительстве двупутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса также использовался однокомпонентный раствор, но объем нагнетания брался из расчета 120% заполнения заобделочного пространства. Здесь деформации поверхности проявлялись в виде долговременных поднятий .

В то же время сложная форма режущего органа с контурными шарошками разной ориентации, возможность использования системы артикуляции ротора (когда ротор может перемещаться относительно щита ТПМК), а также постоянно изменяющиеся по трассе инженерно-геологические условия не позволяют геометрически точно оценить объем выработанного пространства, а значит и степень его заполнения .

Расчет объемов выработанного пространства можно произвести опосредованно с помощью систем весового контроля извлекаемой горной массы, которыми обычно снабжают ТПМК. Однако система весового контроля требует регулярной калибровки, что не всегда выполняется при ведении проходки .

Практика использования таких систем показала существенные отклонения в значениях при сопоставлении показаний полученными другими методами .

В процессе опосредованной оценки объемов выработанного пространства можно использовать не сами значения объемов, а их изменения от одного участка к другому. При таком подходе имеется возможность достаточно точно оценивать изменение данного параметра по косвенным признакам, таким как значение сдвижения поверхности при прочих равных условиях .

В процессе строительства на массив может оказывать влияние система разработки грунта и передвижки щита. Отклонение оси ТПМК от проектной оси тоннеля при поступательном движении на очередном цикле может приводить к увеличению площади выработанного пространства. Учет этих отклонений есть смысл рассматривать только при превышении их значений (в угловой или относительной мере) показателя конусности оболочки щита ТПМК (в угловой или относительной мере). Закономерное увеличение площади сечения возможно только в случае устойчивых тенденций (отклонений осей) от кольца к кольцу .

При строительстве перегонного двупутного тоннеля Фрунзенского радиуса в Санкт-Петербурге устойчивой тенденции в плане (по углу рыскания) зафиксировать не удалось. В профиле такие отклонения (вертикальные тенденции) не смотря на разброс значений характеризовались определенной закономерностью (хвостовая часть в основном находилась выше режущей части щита), на большей части участка от ст. «Южная» до ст. «Проспект Славы»

данный показатель варьировался в пределах -0,005 мм/м до -0,010 мм/м (при наклоне трассы +0,003мм/м) .

2.4 Анализ данных мониторинга деформаций Серебряноборские и Лефортовский тоннели, г.Москва .

По результатам мониторинга деформаций поверхности земли в процессе строительства данных объектов анализ закономерностей процессов сдвижения уже проводился в следующем перечне работ [62,58] .

Основным источником данных о развитии деформационных процессов были профильные линии грунтовых реперов, расположенные на поверхности с интервалом в 30 м. Расстояние между рабочими реперами составляло 4-7 м. В процессе проходки Лефортовского тоннеля было заложено 16 профильных линий, при строительстве Серебряноборских –– 51 профиль. В процессе подработки производилось 5-10 циклов измерений по каждой линии реперов .

По результатам мониторинга поверхности земли максимальное значение оседаний локализовалось над осью тоннеля и варьировалось в зависимости от горно-геологических условий в пределах 4-20 мм (рисунок 2.11). Значения наклонов достигали 1,3 10-3. Длина полумульды, оконтуренная изолинией -5мм, составляла 10-15м .

Рисунок 2.11 – Частотный график оседаний грунтовых реперов профиля №26 при строительстве Серебряноборского тоннеля (Никифорова, 2011) Анализ стадийности процессов сдвижения поверхности показал, что наиболее интенсивно процесс оседания начинает развиваться в момент прохождения ротора комплекса под наблюдаемой профильной линией .

В это время реализуется до 39% от конечного значения сдвижений. Дальнейшая реализация деформаций происходит с относительно постоянной скоростью в течении еще 7–10 дней, после чего массив стабилизируется, сдвижения затухают [62] .

Результаты данного мониторинга говорят о возможной недокомпенсации горизонтальной составляющей горного давления пригрузом щита, а также о неполном заполнении в заобделочного пространства .

При строительстве Лефортовского тоннеля для оценки состояния конструкций особо ответственных объектов, таких как здание Алексеевского училища и здание МГТУ им. Баумана, применялась система автоматизированного контроля сдвижений и деформаций на базе роботизированного тахеометра "Циклоп" [55]. Измерения производились каждые 15 минут. Точность определения оседаний составляла 0,3 мм. По результатам мониторинга значительных деформаций конструкций зафиксировано не было. В то же время это обеспечило контроль за состоянием сооружения при ремонтных работах комплекса в непосредственной близости от здания .

Перегонный тоннель Кировско-Выборгской линии метрополитена на участке «Размыв»,г. Санкт-Петербург .

Основным источником натурных данных для анализа деформационных процессов массива здесь являлись данные наблюдений деформационных грунтовых и цокольных реперов. Их общее количество составило 190 шт. На первом рассматриваемом участке (см. п. 2.1) был заложен поперечный профиль из семи реперов вдоль ул. Новороссийской. На втором ––два поперечных профиля через площадь Мужества и в створе пр.Непокоренных .

Из недостатков данных наблюдательных станций сразу стоит отметить, что шаг заложенных реперов значительно рознился, зачастую происходила утрата знаков и частота наблюдений была выбрана достаточно некорректно. В связи с этим по результатам данного мониторинга можно судить лишь о конечных значениях оседаний без анализа процесса деформирования поверхности .

Максимальное значение оседаний над осью тоннеля на первом участке от проходки правого перегонного тоннеля (ППТ) составило порядка 13 мм, длина полумульды–– порядка 40 м (при взятии в качестве граничного критерия оседания в 5мм). Конечное значение оседаний при окончании строительства двух тоннелей составило 20 мм (Рисунок 2.12) .

Максимальное значение оседаний над осью тоннеля на втором рассматриваемом участке от строительства ППТ составило 4 мм. Длину полумульды по результатам натурных исследований в данном случае оценить не представляется возможным из-за утраты боковых реперов профилей (Рисунок 2.13) .

Вертикальные сдвижения в мульде на поверхности над ПК180

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

-0,005 Верт. сдвижения, м

-0,01

-0,015

-0,02

–  –  –

На первом участке при проходке ППТ были зарегистрированы большие значения оседаний, нежели на втором в связи с несоблюдением подрядчиком регламента проходки. Также уменьшение оседаний на втором участке связано с более существенной мощностью четвертичных отложений над тоннелем и более стабильными режимами строительства .

Перегонный двупутный тоннель Фрунзенского радиуса между станциями «Южная» и «Проспект Славы», г. Санкт-Петербург .

При строительстве первого в Санкт-Петербурге двупутного тоннеля между станциями «Южная» и «Проспект Славы» производился мониторинг сдвижений и деформаций массива, поверхности земли, а также зданий и сооружений, попадающих в зону влияния .

Мониторинг массива производился ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» с помощью скважинных экстензометров, расположенных вдоль оси тоннеля. На рассматриваемом участке от станции «Южная» до ст. «Проспект Славы» было размещено в общей сложности пять таких скважин у ответственных объектов инфраструктуры. В связи с тем, что мощность толщи покрывающего массива здесь была соизмерима с диаметром тоннеля, для выявления вертикальной составляющей сдвижений и деформаций устанавливалось по два якоря. Первый размещался на глубине 4,0–6,5м от поверхности земли, второй –– на три метра глубже, но не ближе, чем в 3 м от свода будущего тоннеля. Значения показаний автоматически считывались каждые 3 часа .

По результатам мониторинга был выявлен нестандартный характер деформирования массива. При анализе данных скважины 2Э видно, что при подработке происходит скачкообразное сдвижение массива, с последующим более плавным поднятием, которое с течением времени фиксируется на определенном уровне. Скважина 2Э располагалась за кольцевой автодорогой (КАД) над кольцом № 76. При сопоставлении результатов мониторинга с параметрами ведения щита выявлено, что сдвижения начали проявляться в момент, когда происходило монтирование 78 кольца. Как видно из графика (рисунок 2.14), сдвижения датчиков происходило одновременно и основной скачок в 4 мм реализовался за один цикл измерений в момент монтажа 79 кольца .

Рисунок 2.14 – График вертикальных сдвижений массива по результатам мониторинга датчиками скважины 2Э Далее в течение суток массив плавно поднялся еще на 1 мм, после чего стабилизировался и не изменял своего положения вплоть до момента произведения повторного нагнетания .

По результатам геодезических съемок на 3.03.14 поднятие устья скважины составило 18 мм. В то же время данный результат нельзя принять за окончательный в связи с тем, что на тот момент, по данным датчиков, процесс сдвижений массива все еще продолжался .

Если проанализировать работу системы нагнетания в течение активной фазы сдвижений и иметь ввиду тот факт, что нагнетание в заобделочное пространство кольца производится в течение двух передвижек щита после его установки, то можно отметить, что нагнетание велось неравномерно в объемах, превышающих расчетное значение заобделочного пространства. Так по данным протоколов проходки заобделочное пространство колец на этом участке заполнялось объемами, превышающими теоретические на 35–40%. В то же время на 78 кольце данный показатель снизился до 115%, а на 79 резко увеличился до 160%. В дальнейшем объемы вновь вернулись к средним значениям. Усредненные показатели работы остальных систем комплекса оставались в течение проходки и установки колец 76–84 относительно стабильными, из чего можно сделать вывод о том, что высокая скорость поднятия массива связана в первую очередь со значительным увеличением объема нагнетания при учете возможности перераспределения тампонажного раствора в заобделочном пространстве .

При рассмотрении распределения вертикальных сдвижений по результатам мониторинга датчиками скважины 3Э можно отметить, что большая часть подвижек здесь реализуется также в течение суток (Рисунок 2.15).В то же время процесс сдвижений характеризуется более плавным поднятием. Это может быть связано с тем, что нагнетание происходило относительно равномерно из расчета заполнения 125% заполнения заобделочного пространства. Процесс сдвижений датчиков начал проявляться при монтаже 196 кольца, которое находилось в 1 м от скважины, расположенной над 197 кольцом .

Рисунок 2.15 – График вертикальных сдвижений массива по результатам мониторинга датчиками скважины 3Э Геодезический мониторинг производился ежедневно с момента проявления первых подвижек .

В то время, когда значение поднятия датчиков составило 1 мм, на поверхности реализовались поднятия в 16 мм. При значениях сдвижений в массиве на уровне 8 мм подвижки поверхности достигли 50 мм. Также стоит отметить, что при данных значениях поднятия на поверхности проявились трещины раскрытием до 4 см .

Мониторинг массива датчиками скважины 4Э показал, что конченые значения сдвижений реализуются также как и в предыдущих случаях в течение суток (Рисунок 2.16). Первые подвижки были зафиксированы при монтаже кольца, находящегося под скважиной. Максимальное поднятие массива составило 3,5 мм. В то же время здесь, в отличие от предыдущих случаев, еще в течение четырех суток после достижения пиковых поднятий происходило незначительное оседание массива. Конченое поднятие на данных глубинах составило по датчику, расположенному на глубине 9,5 м –– 3мм, по датчику на глубине 6,5 м –– 3,5 мм. По результатам геодезических измерений значение пучений поверхности составило на третьи сутки после начала сдвижений 41 мм .

Нагнетание здесь производилось из расчета 120% –130% заполнения заобделочного пространства .

Рисунок 2.16 – График вертикальных сдвижений массива по результатам мониторинга датчиками скважины 4Э Отдельно от скважинного мониторинга производился контроль за состоянием поверхности .

Долговременный мониторинг сдвижений и деформаций здесь производился по грунтовым реперам. Фиксировалась вертикальная и горизонтальная составляющая сдвижений геодезическими методами. Профили реперов располагались вдоль ответственных инфраструктурных объектов, таких как кольцевая автодорога (КАД), железная дорога, трамвайные пути. В связи с тем, что основной задачей такого мониторинга являлось обеспечение безопасности подрабатываемых объектов, расположение профилей наблюдательных станций, расстояние между реперами, а также частота произведения измерений не позволили использовать данную информацию в дальнейшем для изучения закономерностей развития и распределения деформаций поверхности. Определение смещений происходило с частотой раз в две недели, расстояние между реперами в профильной линии варьировалось от 28 м до 70 м. Мониторинг сдвижений производился в течение двух лет. Такой достаточно длительный период наблюдений дает возможность зафиксировать изменения характера сдвижений поверхности после возведения объекта строительства, оценить проявление деформаций ползучести .

По результатам мониторинга грунтовых реперов было выявлено поднятие массива. Анализируя результаты наблюдений по профилю, расположенному на насыпях КАД (Рисунок 2.17), нужно отметить, что сдвижения, вызванные влиянием строительства были зарегистрированы лишь на 11 репере. Здесь после подработки поднятие составило 28 мм. В течение следующего года репер просел на 8 мм, к концу второго года после подработки поднятие массива составило 14 мм. Это означает, что массив опустился за весь период наблюдений на 50% относительно первоначальных значений поднятий .

Вертикальные сдвижения, мм

–  –  –

Рисунок 2.18 – Профиль грунтовых реперов наблюдательной станции на поверхности и сооружениях КАД По данным нивелировок другого профиля, расположенного параллельно подрабатываемым железнодорожным путям (Рисунок 2 .

20), поднятия над осью тоннеля по реперу № 138 составили 17 мм, репер № 133 поднялся на 11 мм (Рисунок 2.19) .

Как видно из графика долговременного мониторинга, спустя менее чем два года после подработки тенденции к опусканию массива проявляется только на участке, где репера располагаются на насыпях. К сожалению, в связи с большим расстоянием между наблюдаемыми точками в поперечной профильной линии (39–42 м), зафиксировать границу поперечной полумульды не удалось .

Рисунок 2.19 – График вертикальных сдвижений грунтовых реперов наблюдательной станции вдоль железнодорожных путей Рисунок 2 .

20 – Профиль грунтовых реперов наблюдательной станции вдоль железнодорожных путей По результатам нивелирования другого грунтового профиля, репера которого расположены вдоль зданий по ул. Бухарестская д. 156 явной тенденции к оседанию массива зафиксировано не было (Рисунок 2.21) .

На отдельных участках строительства осуществлялся ежедневный мониторинг грунтовых реперов, расположенных вдоль оси тоннеля. Его целью являлось определение вертикальных сдвижений поверхности при подработке зданий и объектов инфраструктуры. Съемка реперов производилась ежедневно по методике нивелирования III класса .

Рисунок 2.21 – График вертикальных сдвижений грунтовых реперов наблюдательной станции вдоль зданий по ул .

Бухарестская д.156

–  –  –

При строительстве участка Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена между стартовым котлованом и ст. «Дунайский проспект»

планировалась подработка двух зданий. Первым подрабатываемым зданием был Д. №156 литер А1 по Бухарестской ул., расположенный в 16 м от оси тоннеля .

Данный объект представляет собой десятиэтажное панельное жилое здание. Оно было построено в 2005 году по типовому проекту 600.11. Имеет сложную конфигурацию в плане. Также была подработана одноэтажная пристройка магазина «Магнит», расположенная в непосредственной близости от оси тоннеля (Рисунок 2.22) .

В связи с необходимостью обеспечения безопасности подрабатываемого объекта и дополнительного изучения характера деформирования массива кафедрой маркшейдерского дела Горного университета был организован автоматизированный мониторинг сдвижений и деформаций упомянутого здания и участка поверхности земли перед ним [18] .

Рисунок 2.22 – Схема расположения здания ул .

Бухарестская 156 к.1 л. А относительно оси тоннеля Проект мониторинга был разработан на основе данных инженерногеологических изысканий и отчета по оценке сдвижений и деформаций. В нем учитывались особенности технологии строительства тоннеля .

С конструктивной точки зрения здание представляет собой типовой панельный дом серии 600.11 с узким шагом поперечных несущих стен (3,0 м;

3,3 м). Пространственная жесткость здания обеспечивается совместной работой поперечных стен и средней продольной стены, объединенных в единую пространственную систему дисками междуэтажных перекрытий и взаимным соединением внутренних стен между собой бетонными шпонками (Рисунок 2.23) .

Цокольные наружные панели трехслойные из двух слоев тяжелого бетона М 200 и утеплителя из газобетонной резки плотностью 400 кг/м 3 толщиной 16 см. Внутренние стены техподполья однослойные железобетонные толщиной 180 мм. Фундамент –– монолитная ж/б плита. Наружные стены — навесные из газобетонных (у =600 кг/м3) панелей автоклавной обработки, толщиной 24 см .

Внутренние продольные и поперечные стены — из плоских железобетонных панелей толщиной 14 см, из бетона марки 200 .

Перекрытия полнотелые из бетона марки 200 размером "на комнату", толщиной 14 см. Пол —линолеум на теплой основе. Чердачное перекрытие состоит из газобетонных панелей толщиной 24 см (у =650 кг/м3), перекрытия над кухнями — железобетонные с утеплением газобетоном .

Рисунок 2.23– Фасад и разрез по лестничной клетке здания серии 600 .

11

–  –  –

Рисунок 2.25 – Станция мониторинга на базе роботизированного тахеометра Trimble s8 Сразу стоит отметить ряд недостатков данного программного комплекса, связанных с модулем обработки и визуализации данных .

T4D control выводил данные лишь о величине сдвижений по трем заданным направлениям и скорости их развития. В данной ситуации расчет деформаций здания, по которым определялась степень влияния подработки, приходилось производить во внешней системе для сопоставления результатов с предельно допустимыми показателями нормативных документов .

Для введения поправок за температуру и давление, в качестве вспомогательного оборудования, была установлена метеостанция Oregon Scientific WMR88 .

Для получения данных о сдвижениях с нужной точностью необходимым является правильное расположение достаточного количества опорных отражателей. В данном случае, в связи с установкой прибора в пределах предполагаемой зоны влияния проходки, переопределение координат точки стояния производилось перед каждым циклом измерений с помощью обратной линейно-угловой засечки .

В то же время учитывалось то, что прибор располагался в пределах промплощадки, где происходило передвижение крупной техники, установка которой в определенных местах могла послужить причиной отсутствия прямой видимости на опорные призмы .

В связи с этим было принято решение об установке избыточного количества опорных отражателей. Семь опорных призм были размещены на близлежащих зданиях. Данные строения расположены вне зоны влияния. Форма расположения призм была приближенной к окружности с центром в точке стояния прибора. Схема расположения отражателей представлена на рисунке 2.26 .

Рисунок 2.26 – Схема расположения опорных отражателей Деформационные марки, представляющие собой отражатели, были размещены в несущих стенах по всему наружному периметру через 6-12 м, на углах, на стыках строительных блоков поворотной части здания, согласно нормативным документам [37,95] .

Для контроля крена стен отражатели были размещены на двух уровнях здания и в местах возможного образования сосредоточенных деформаций. Возникновение сосредоточенных деформаций ожидалось в месте соединения поворотной части здания с продольной и поперечной секцией, где возможна была возможна разгерметизация деформационного шва. В данном месте была установлена дополнительная пара деформационных отражателей по центрам плит (Рисунок 2.27). Отражатели 1.7 и

2.7 были установлены вне зоны влияния для получения данных об СКО измерений. В общей сложности на здании было установлено 14 призм. Также на пристройке магазина «Магнит» были установлены три дополнительных отражателя .

Рисунок 2.27– Расположение отражателей на объекте мониторинга Для изучения геомеханических эффектов, происходящих в массиве во время строительства, над осью тоннеля были установлены два деформационных отражателя .

По результатам мониторинга максимальное значение поднятия здания составило 2,5 мм, пристройки магазина –– 3,5мм. Значение среднеквадратичной ошибки (СКО) находилось на уровне 0,3-0,4 мм. Наибольшее расхождение в горизонтальных смещениях по парным точкам (которое выявлено в паре: 1.1 и 2.1) составило 1,5 мм. Оценка кренов показало значение 0,00006 в направлении, перпендикулярном оси тоннеля .

Данные значения дополнительных деформаций оказались на порядок ниже не только предельных показателей в общестроительных нормативных документах [73], но допустимых показателей деформаций Правил охраны зданий и сооружений на угольных месторождениях [72] .

Наибольший интерес представляют данные, полученные по результатам мониторинга поверхности в непосредственной близости от здания. Прежде всего, стоит отметить, что в силу использования нового технологического режима проходки (где заполнение заобделочного пространства производится на 120%), над осью тоннеля было зафиксировано не оседание массива, как прогнозировалось ранее, а его поднятие .

Максимальное значение поднятия массива было зафиксировано в точке 1st и составило 15 мм после стабилизации процесса сдвижения. В точке 2st, расположенной в 35 м от первой, поднятие составило 10 мм. Данные значения совпадают с результатами нивелировок, произведенными компанией ЗАО «Фирма «ГИРО» по тем же точкам .

Применение автоматизированной системы мониторинга позволило зафиксировать момент начала сдвижений в указанных точках, характер этих сдвижений, а также выявить ряд геомеханических эффектов .

Как можно видеть на графике (Рисунок 2.28), сдвижение точки 2st происходило скачкообразно. Поднятие массива на 5 мм произошло в течение 15 минут в момент производства работ по нагнетанию тампонажного раствора в заобделочное пространство 432 кольца, находящегося под данной точкой. В последующие сутки массив поднялся до 9 мм, после чего стабилизировался .

Рисунок 2.28- График сдвижений точки 2st Результаты мониторинга позволяют говорить о том, что сдвижения поверхности при сбалансированном пригрузе забоя начинают проявляться в момент нагнетания тампонажного раствора в заобделочное пространство .

В то же время при данной технологии проходки на столь малых глубинах очень многое зависит от режимов проходки, которые напрямую влияют на НДС массива .

2.6 Анализ недостатков и обоснование рекомендаций по усовершенствованию методов наблюдений Анализ результатов мониторинга при строительстве тоннелей большого диаметра в Москве и Санкт-Петербурге, произведенный в п. 2.4 показал, что методы наблюдений как с применением традиционных, так и современных технологий на данный момент во многом недостаточно обоснованы и не позволяют в условиях высоких скоростей строительства обеспечить безопасность подрабатываемых объектов инфраструктуры, а также получить данные для всестороннего изучения закономерностей происходящих деформационных процессов .

Как уже отмечалось ранее, наиболее распространенным методом мониторинга поверхности земли и оснований подрабатываемых зданий является классический геодезический мониторинг. Данный вид мониторинга имеет ряд преимуществ, таких как высокая точность и надежность получаемых данных. В то же время при высоких скоростях проходки и развития деформационных процессов для получения своевременной информаций о состоянии поверхности земли и подрабатываемых объектов геодезические наблюдения необходимо производить с большой частотой, что влечет за собой значительное увеличение трудозатрат. Действующие на данный момент нормативные документы четко не регламентируют частоту мониторинговых наблюдений, из-за чего зачастую он производится раз в несколько недель. В таких условиях невозможно обеспечить контроль подработки поверхности .

В то же время существуют современные системы автоматизированного мониторинга, такие как роботизированные тахеометры и системы датчиков, которые способны обеспечить беспрерывный контроль за состоянием подрабатываемого объекта и поверхности. Во многом их применение ограничено высокой стоимостью и проблемами, связанными с обеспечением безопасности оборудования .

Стоит также отметить, что результат мониторинга, как в случае применения классических геодезических методик, так и в случае использования современных автоматизированных систем, во многом зависит от качества установки опорных и деформационных реперов, расстояния между ними, а также расположения профиля относительно оси тоннеля. Ломаная геометрия заложения наблюдаемых точек и большое расстояние между ними не позволяют произвести дальнейшую обработку данных для получения всесторонней информации о степени деформированности поверхности и определения границ влияния проходки при тех или иных режимах работы подсистем .

Мониторинг массива в непосредственной близости от строящегося объекта является важным источником информации, т.к. именно здесь возникают сдвижений и деформаций в дальнейшем реализующиеся на поверхности .

Наиболее часто применяемым методом мониторинга массива при строительстве тоннелей является скважинный мониторинг деформаций. С помощью него отслеживаются сдвижения толщи пород на нескольких уровнях в режиме реального времени. В то же время такой вид мониторинга не регламентирован нормативными документами. На практике скважины в основном устанавливаются над осью тоннеля для фиксирования максимальных значений вертикальных сдвижений. В то же время большую роль в формировании конечных значений деформаций поверхности играют горизонтальные сдвижения, реализующиеся на уровне серединного диаметра в боках выработки .

Также стоит отметить, что такой вид мониторинга не может дать достоверной информации о состоянии поверхности земли. Первые миллиметры сдвижений в массиве могут проявляться на поверхности подвижками на порядок большими по величине (см. п. 2.4). Это, прежде всего, связанно с тем, что устье скважины, относительно которого производится измерения сдвижений, также подвержено влиянию проходки. В таких условиях возникает необходимость в проведении дополнительных измерений перемещений самой скважины .

На основе анализа существующих проблем в сфере мониторинга сдвижений и деформаций можно привести ряд рекомендаций по усовершенствованию методов наблюдений. Прежде всего, стоит отметить необходимость применения комплексного подхода при обеспечении безопасности подрабатываемых объектов инфраструктуры. Только совместное использование современных и традиционных методов мониторинга позволит создать многоуровневую систему контроля конструкций строящегося подземного сооружения, вмещающего массива, поверхности земли, а также зданий и сооружений .

Для изучения особенностей развития деформаций горных пород и поверхности земли при применении современных технологий строительства с активным воздействием на массив необходима организация экспериментальных участков, на которых будет производиться оценка влияния изменения работы подсистем комплекса, таких как система пригруза и нагнетания в данных горногеологических условиях. При этом следует обосновать размещение реперов и датчиков в наблюдательной станции, а также произвести расчет сроков и частоты мониторинга относительно скорости деформаций массива .

Профили грунтовых реперов необходимо размещать вдоль и перпендикулярно трассе тоннеля. Интервал размещения наблюдаемых точек в линии, поперечной оси, нужно принимать исходя из необходимости фиксирования границы и характера распределения деформаций в зоне сдвижений. В связи с отсутствием достоверных натурных данных о распределении деформаций на поверхности земли при применении технологии перенагнетания, интервал размещения реперов стоит принять в соответствии с нормативными документами [38]. Для определения длины поперечного профиля необходимо производить дополнительные исследования на основе моделирования. Если учесть, что перераспределение раствора в заобделочном пространстве происходит в течение 3–5 колец, то интервал расположения реперов в продольной оси для фиксирования изменения данного показателя должен быть порядка 6-10 м .

Для изучения особенностей деформирования массива в поперечный профиль необходимо включить как минимум три скважины. Над осью тоннеля, где в основном реализуются вертикальные составляющие сдвижений, следует закладывать экстензометры. Две другие скважины необходимо разместить на минимальном возможном расстоянии от тоннеля по бокам с комбинированными системами датчиков вертикальных передвижений и наклона для фиксирования как вертикальной, так и горизонтальной составляющей сдвижений на уровне серединного диаметра .

Для определения подвижек устьев скважин, а также поверхности земли и подрабатываемых объектов наилучшим вариантом, с точки зрения обеспечения необходимой частоты и точности мониторинга, будет применение автоматизированных систем на базе роботизированного тахеометра (РЭТ) .

Анализ опыта проведения работ с применением таких автоматизированных систем и результатов самого мониторинга позволил сформулировать следующие рекомендации:

- после обоснования выбора места расположения роботизированных станций, геометрии сети опорных и рабочих марок необходимо организовать предварительные серии наблюдений для апостериорной оценки точности и выявления влияния на измерения внешних факторов, часто заранее неизвестных;

- система деформационного мониторинга на базе РЭТ без использования специальных устройств (открывающих измеряемые призмы) плохо подходит для выявления сосредоточенных деформаций или наблюдения за существующими трещинами и деформационными швами;

- при организации периодических наблюдений необходимо обосновывать заведомо меньшие интервалы между сериями для обеспечения избыточности измерений, а также предусматривать использование процедур отбраковки измерений с выявленными искажениями из-за влияния плохо предсказуемых внешних факторов, таких например как вибрация;

при расположении станции РЭТ в зоне возможных деформаций необходимо использовать независимую систему контроля опорных точек с возможностью корректировки положения станции на основе строгих способов;

- помимо традиционных результатов таких наблюдений (т.е. смещений или их скоростей, которые обычно рассматриваются производителями подобных систем), система должна позволять оперативно оценивать деформации конструкций (как первых производных от смещений), которые и являются критериями оценки вредного влияния .

Выводы по второй главе

По результатам анализа отмечены основные особенности объектов натурных исследований, которыми являются тоннели проеденные ТПМК с пригрузом забоя в сложных горно-геологических условиях в Москве и СанктПетербурге. Большая площадь сечения и глубина строительства соизмеримая с диаметром тоннеля обеспечивают высокую чувствительность вмещающего массива к изменениям режимов проходки, что в свою очередь дает возможность оценить вклад от изменения параметров каждой из технологических подсистем ТПМК на значения сдвижений и деформаций поверхности земли .

Для такого рода исследований необходимы данные мониторинга поверхности и массива, которые с нужной точностью описывали бы процесс деформирования во времени. Анализ существующих методов натурных исследований показал, что получение таких данных и обеспечение безопасности проходки в целом может быть организованно только на основе автоматизированного мониторинга .

Также важным для дальнейшей обработки является учет низкой достоверность данных о работе проходческого комплекса. В связи с этим был произведен анализ работы трех основных подсистем ТПМК наиболее активно воздействующих на массив во время проходки. По результатам данного анализа был сделан вывод о необходимости применения косвенных методов оценки работы подсистем при выявлении низкой достоверности предоставляемых данных по датчикам ТПМК .

Изучение натурных данных мониторинга сдвижений земной поверхности и массива вмещающих пород при строительстве тоннелей Москвы и СанктПетербурга показало, что в зависимости от выбранной технологии и режимов проходки на поверхности могут проявляться как оседания, так и долговременные поднятия. Наиболее малоизученным является эффект долговременного поднятия массива .

Анализ натурных данных автоматизированного мониторинга сдвижений земной поверхности и массива вмещающих пород при строительстве участка Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена позволил выявить высокую скорость и дискретный характер проявления поднятий. Реализация до до 30-40% от конечных значений вертикальных сдвижений развивались в течение менее чем 15 мин. В таких условиях оперативная и достоверная оценка фактических параметров деформационного состояния подрабатываемых объектов возможна только на основе применения автоматизированных систем, обеспечивающих реализацию режимов наблюдений в реальном времени .

Не смотря на большой объем данных натурных измерений процесс деформирования массива и поверхности при строительстве тоннелей ТПМК с пригрузом забоя не является полностью изученным. Так в процессе мониторинга в основном происходит фиксирование максимальных значений сдвижений массива и поверхности земли над осью тоннеля, что не дает возможности оценить характер распределения деформаций в поперечном направлении и определить зону влияния подработки. Это делает актуальным дальнейшее изучение геомеханических процессов на основе моделирования .

По результатам анализа имеющихся натурных данных был разработан ряд рекомендаций по проведению мониторинга для описания процессов деформирования массива и обеспечения безопасности подрабатываемых объектов. В частности, обоснована необходимость в создании единой системы мониторинга конструкций строящегося объекта, вмещающего массива, поверхности и подрабатываемых объектов инфраструктуры для обеспечения безопасности в процессе строительства. Также было выдвинуто предложение по организации экспериментальных участков, где обеспечивалась бы возможность изучения реакции массива и поверхности на изменение режимов работы подсистем ТПМК .

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

СДВИЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД. АНАЛИЗ

ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ключевым элементом обеспечения безопасности подрабатываемых объектов, таких как здания, сооружения и подземные коммуникации, является прогноз сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности. Прогноз при проектировании подземных сооружений позволяет определить зоны влияния, оценить степень вредного воздействия горных работ и обосновать меры защиты подрабатываемых объектов. На стадии проходки текущий прогноз сдвижений может позволить снизить вредное влияние за счет корректировки технологических параметров ТПМК .

Разработка прогнозных методов оценки сдвижений –– сложная научнотехническая задача, особенно для рассматриваемых условий применения современных технологий подземного строительства в мелком заложении, характеризующихся активным воздействием на вмещающий массив .

Недостаточный объем натурных данных не позволяет задействовать арсенал эмпирических и полуэмпирических методов оценки. Сложные горногеологические условия строительства при ведении работ на малых глубинах значительно усложняют применение аналитических методов для решения данной задачи. В таких случаях для выявления закономерностей развития геомеханических процессов и разработки прогнозных методов оценки сдвижений и деформаций обычно применяют методологию моделирования [50] .

В настоящее время на смену традиционно применяемым в горной геомеханике методам физического моделирования приходят методы математического моделирования, которые обладают рядом преимуществ .

Широкое развитие информационных технологий предопределило условия реализации численных методов математического моделирования в многочисленных программных комплексах для расчета задач механики сплошных и дискретных сред .

Модельный расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород на основе численных методов все чаще применяется исследователями. Он имеет ряд существенных особенностей, в сравнении с аналитическими и другими методами, поэтому при выборе таких методов в качестве основного средства для анализа геомеханических процессов необходимо рассмотреть теоретические основы таких расчетов, выявить нюансы работы моделей в широком спектре внешних условий и обосновать принципы расчета для условий оценки сдвижений при строительстве тоннелей большого диаметра на малых глубинах .

3.1 Методы математического моделирования. Обоснование применения метода конечных элементов Применительно к геомеханическим расчетам основными численными методами являются метод конечных разностей, метод граничных интегралов и метод конечных элементов. Наиболее востребованным среди них является метод конечных элементов (МКЭ) [36,86] .

Основная концепция МКЭ состоит в том, что искомую непрерывную величину аппроксимируют кусочным набором простейших функций, заданных над ограниченными подобластями. С помощью такой процедуры интегрирование дифференциальных уравнений сводится к решению системы линейных уравнений. Искомая величина вычисляется для узлов, в пределах элементов значения неизвестных функций и её производных определяется аппроксимирующими функциями и их производными .

Рассмотрение принципов расчета с применением МКЭ будет производиться на примере решения задачи в плоской постановке [86] .

Трехмерная постановка МКЭ принципиальных отличий не имеет, основная система линейных уравнений формируется и решается в ней аналогично .

В задачах плоского напряженного состояния и плоской деформации поле смещений единственно и определяется с помощью u и v смещений в направлении декартовых ортогональных координат x и y. Тензоры напряжений и деформаций имеют по три компонента в плоскости xy. В случае плоского напряженного состояния по условию все остальные компоненты напряжения равны нулю и поэтому не дают вклада во внутреннюю работу. При плоской деформации напряжение в направлении, перпендикулярном к плоскости xy, z – величина отличная от нуля, зависящая от других составляющих тензора. Однако по условию деформация в этом направлении нулевая, и поэтому это напряжение не влияет на внутреннюю работу .

В данном примере заданная область в плоскости xОy разбивается на треугольные элементы (рисунок 3.1), гладкие функции перемещений вдоль осей координат в пределах элементов аппроксимируются линейными полиномами:

u=1+2 x+3 y; (3.1) =4+5 x+6 y, где 1…6 - набор констант .

–  –  –

Метод конечных элементов предполагает, что силовые взаимодействия между элементами осуществляются только в узловых точках. Деформирование элемента обусловлено приложением со стороны соседних элементов или внешних воздействий узловых сил Fi, Fj и Fk, каждая из которых раскладывается на две составляющие вдоль координатных осей.

Для вывода зависимости шести компонентов узловых сил от шести компонентов узловых перемещений используется принцип возможных перемещений в следующей формулировке:

при возможном бесконечно малом перемещении узловых точек работа узловых сил должна быть равна работе внутренних напряжений .

Узловые силы F через узловые перемещения d выражаются:

{ F }= [ К ] { d }, (3.9)

–  –  –

где {F C } – узловые силы, { C } – узловые перемещения .

Вектор узловых сил формируется из реально заданных сосредоточенных нагрузок или сведенных к узловым силам, распределенных по контуру или по площади области сил. Сведение сил тяжести (или инерционных) к узловым обычно включается в программу. При этом вес каждого элемента, рассчитанного как произведение его площади на плотность и на земное (или иное заданное) ускорение, распределяется поровну между тремя узлами элемента .

Наряду с конечными элементами простейших форм, с помощью которых здесь были разобраны основные принципы расчета, для решения различных типов задач могут быть применены и другие виды элементов в различных постановках. Существуют семейства одномерных, двумерных и трехмерных элементов. Также они различаются по числу узлов, степеней свободы .

Для моделирования стенок, плит или оболочек могут применяться структурные плоские элементы, имеющие значительную жесткость на изгиб и нормальную жесткость. Для моделирования различных строительных конструкций также существует большое количество специализированных элементов, таких, как например межузловые анкера, представляющие собой пружины для моделирования связей между двумя точками .

Процедура МКЭ обеспечивает решение не только задачи определения напряженно-деформированного состояния среды, но и решение других линейных задач, в частности установившейся ламинарной фильтрации. В данном случае искомую величину напора фильтрационного потока аппроксимируют кусочным набором функций .

На данный момент существует большой перечень программных продуктов, работающих на основе применения МКЭ для моделирования напряженнодеформируемого состояния (НДС) в различных задачах механики твердого тела и горного массива в частности: из зарубежных – PLAXIS, ABAQUS, GEOSLOPE, ADVENTURE, GEOFEM, ANSYS, ADINA, ALGOR, COSMOS, FINEL, NASTRAN, MARC, и др., из Российских – ПИОНЕР, ЛИРА, МИРАЖ, МОРЕ, ПАРСЕК, ПАРУС, НЕДРА и др .

В данной работе для расчетов в основном использовался программный комплекс PLAXIS 3D, значительным преимуществом которого является то, что он предназначен для работы именно в области геомеханических расчетов [104] и дает возможность производить расчет с использованием широкого перечня моделей пород (грунтов) .

3.2 Основные принципы расчетов МКЭ при решении геомеханических задач. Особенности моделирования проходки тоннелей ТПМК с пригрузом забоя Применение метода конечных элементов для решения задач по оценке сдвижений и деформаций массива имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать в процессе создания моделей .

Так при определении оптимальных размеров расчетной области необходимо принимать во внимание возможное влияние граничных эффектов .

Данные граничные условия заключаются в запрете горизонтальных смещений на вертикальных границах модели, запрете горизонтальных и вертикальных смещений на нижней границе. При этом нужно учитывать, что излишнее увеличение модели может привести к неоправданным затратам времени и ресурсов ЭВМ на подсчет результатов .

При наличии оси симметрии имеется возможность сокращения объема расчетов за счет рассмотрения только одной половины области. Размер элементов сетки выбирается исходя из конкретных задач, поставленных при создании данной модели, и определяется градиентами получаемых значений напряжений и деформаций. В зонах больших градиентов (около выработки) сетка сгущается. При моделировании проходки тоннеля, сгущение обычно производится вокруг тоннеля, а в некоторых случаях и по контуру предполагаемой мульды сдвижений [80] .

При разбиении сетки необходимо следить за формой создаваемых элементов: они не должны быть слишком длинными и узкими, т.к. это может исказить результаты расчетов (вырождается матрица жесткости элемента) .

Отдельно стоит выделить вопрос, связанный с обоснованием выбора для расчетов плоской или объемной постановки. В случае если горизонтальные составляющие сдвижений и деформаций вдоль оси тоннеля практически равны нулю, то можно производить решение в двухмерной постановке (в плоскости перпендикулярной оси тоннеля). При этом стоит отметить, что для корректного моделирования геомеханических процессов на плоских моделях необходимо предварительно оценить уровни деформаций на соответствующих им пространственных моделях ввиду возможности проявления в этих процессах трехмерных эффектов .

Важной особенностью расчета сдвижений и деформаций поверхности при строительстве тоннелей ТПМК с пригрузом забоя является необходимость учета влияния работы подсистем комплекса. Данные подсистемы, как было показано выше, способны напрямую влиять на НДС массива, к ним относятся система активного пригруза забоя и система нагнетания в заобделочное пространство (см. п. 2.3) .

Кроме этого при расчетах необходимо учитывать особенности геометрии проходческого щита и его положение в пространстве в процессе строительства .

Наибольший интерес представляет моделирование МКЭ проходки с применением новых технологий и режимов, таких как перенагнетание, когда на поверхности фиксируются долговременные поднятия массива (см. гл. 2) .

Возможности МКЭ позволяют учесть работу системы пригруза забоя с помощью распределенной нагрузки. При моделировании работы данной подсистемы необходимо подавать распределенную нагрузку на забой для компенсации горизонтальной составляющей природного поля напряжений H и гидростатического давления. Из-за особенностей технологии работы щитов с суспензионным пригрузом забоя требует отдельного рассмотрения вопрос подбора оптимального опорного давления. Из-за разности объемного веса суспензии и окружающих пород перепад давления в своде и лотке в призабойной зоне не соответствует перепаду природных напряжений в массиве (при полной компенсации в своде в лотке будет декомпенсация и наоборот).

Работа грунтопригруза с такими проблемами не связана (вес грунтовой массы в призабойной камере примерно равен весу пород в массиве), она легко имитируется с помощью изменяющегося по высоте давления (Рисунок 3.2) .

Рисунок 3.2 – Моделирование грунтового пригруза забоя Известно, что в зависимости от режимов работы данной подсистемы на поверхности земли перед забоем могут проявляться как пучения, так и оседания (Рисунок 3 .

3). Чаще всего такого рода подвижки проявляются при работе суспензионного пригруза по указанным выше причинам. По результатам мониторинга при штатном режиме проходки ТПМК с грунтопригрузом сдвижений массива и поверхности земли перед забоем не наблюдалось [18] .

–  –  –

Конструкции щитов, под защитой которых происходит возведение обделки, в МКЭ могут имитироваться с помощью двухмерных элементов с эквивалентными характеристиками, опосредованно учитывающими толщину (Рисунок 3.4). Значение удельного веса элементов может назначаться исходя из веса комплекса в данном конкретном случае. Конусность щита может учитываться с помощью специальных режимов расчетов (например с помощью функции contraction (усадка), которая моделирует потерю объема в программе Plaxis) .

Рисунок 3.4 – Общий вид моделируемого ТПМК с грунтопригрузом забоя

Возводимая обделка тоннеля может быть представлена как объемными, так и двухмерными элементами с условной толщиной .

Большое влияние на конечное значение подвижек поверхности земли оказывает система нагнетания. При строительстве тоннеля большого диаметра мелкого заложения в зависимости от режимов работы данной системы массив может работать как в режиме оседаний, так и поднятий. По результатам косвенных оценок [67], при нагнетании объемов тампонажа исходя из необходимости заполнения расчетного объема заобделочного пространства, фактическая степень заполнения колеблется в пределах 70–90%. В таких условиях происходит конвергенция контура выработки, значение которой является основным параметром при моделировании. Значение конвергенции пород при этом вычисляется на основе указанных косвенных оценок .

Моделирование работы массива в режиме оседаний МКЭ может производиться посредством податливой оболочки или специальных функции (таких как функция «Усадка» в ПО Plaxis) .

Рисунок 3.5 – Моделирование перенагнетания в заобделочное пространства с помощью распределенной нагрузки В связи с тем, что в процессе проходки не имеется возможности зафиксировать давление тампонажного раствора в заобделочном пространстве, для моделирования работы системы ТПМК в режиме перенагнетания было принято решение оперировать в первую очередь значениями объемов раствора (см .

п.2.3). При этом необходимо вычислить, насколько должны измениться параметры выработки, для того чтобы вместить проектное количество тампонажа. Расширение сечения тоннеля моделировалось с помощью подобранной распределенной нагрузки (Рисунок 3.5). Значения нагрузки могут варьироваться в широких пределах, но при этом не должны превышать значения давлений подаваемого тампонажного раствора в форсунках системы нагнетания .

Так, например, максимальные значения в процессе проходки перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса составили порядка 9 бар. Данная нагрузка также должна учитывать давление столба нагнетаемого раствора, т.е. равномерно увеличиваться от свода к лотку .

Рисунок 3.6 – Общий вид грунтового массива

Для определения основных закономерностей развития сдвижений и отработки ряда эффектов, возникающих в массиве при моделировании проходки ТПМК с пригрузом забоя, использовались упрощенные с точки зрения геологического строения модели. В расчетных моделях было выделено два основных горизонтально залегающих слоя с физико-механическими параметрами характерными для условий строительства транспортных тоннелей неглубокого заложения в четвертичных (тритичных) отложениях с подстилающим слоем коренных пород (рисунок 3.6). Такие условия можно признать типичными для горно-геологических условий строительства крупных транспортных тоннелей на малых глубинах. Параметры типичного грунтового массива представлены в таблице 3.1 .

Проходческий щит и обделка тоннеля моделировались с помощью плоских элементов, параметры которых высчитывались исходя из данных о комплексах фирмы Herrenknecht с пригрузом забоя. Пример параметров ТПМК в модели представлен в таблице 3.2 (здесь диаметр кольца обделки был принят 10 м, ширина 2 м) .

Таблица 3.1 – Параметры грунтового массива

–  –  –

Активное воздействие подсистем пригруза забоя и системы нагнетания моделировалось с помощью распределенной нагрузки. Их значения менялись в зависимости от изменения параметров моделируемой проходки и грунтового массива. Значение и распределение давлений на забой высчитывалось исходя из необходимости компенсации горизонтальной составляющей природных напряжений H. Давление для имитирования работы системы нагнетания подбиралось таким образом, чтобы выдавленное пространство вмещало проектный объем перенагнетаемого раствора. С помощью удельного приращения задаваемой распределенной нагрузки учитывалось влияние веса тампонажа, плотность которого принималась исходя из известных параметров растворов. Так, например, в условиях проходки двупутного перегонного тоннеля в Санкт-Петербурге удельный вес раствора составлял 21,3 кН/м3 .

Процесс проходки тоннеля в процессе моделирования имитировался с помощью поэтапной выемки выделенной области массива под одно кольцо .

3.3 Исходное напряженное состояние массива

В обобщенном смысле напряженное состояние массива пород определяется главным образом действием двух независимых силовых полей – гравитационного и тектонического. Под гравитационным силовым полем понимается силовое поле, формирующееся вследствие действия закона всемирного тяготения. Тектоническое поле сил является следствием тектонических движений [32,50, 83] .

В настоящее время имеется ряд аналитических и экспериментальных исследований по изучению начального напряженного состояния породных массивов. Среди натурных методов для изучения начальных напряжений можно отметить: метод полной разгрузки для пород, не испытывающих пластических деформаций; метод изучения перемещения буровых скважин для пород, испытывающих пластические деформации и деформации ползучести;

сейсмоакустические методы .

Аналитические методы дают возможность оценить в первом приближении гравитационную составляющую и учесть влияние тектонических и горообразовательных процессов на формирование начального напряженного состояния в породной толще. Экспериментальные методы используются для проверки аналитической оценки и учета остальных факторов, формирующих начальное напряжение .



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«МЕЖДУНАРОДНЫЙ ISO/IEC СТАНДАРТ 27002 С учетом Технической поправки 1, опубликованной 2007-07-01 Информационные технологии. Свод правил по управлению защитой информации Information technology — Security techniques — Code of practice for information security management Techn...»

«АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭКОНОМИЧЕСКИХ НАУК Список литературы: 1. Налоговый Кодекс Российской Федерации (Часть 1) от 31.07.1998 N 146-ФЗ [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.consultant.ru/popular/nalog1/ (дата обращения: 05.12.2015)....»

«39 Мир России. 2002. № 2 Уроки "финансовых пирамид", или что может сказать экономическая социология о массовом финансовом поведении В.В. РАДАЕВ В статье рассматривается история "финансовых пирамид" с точки зрения социологии. Автор пытается сформулировать концептуальные основы социологического подхода к анализу поведения толпы и...»

«Секция 14 "РАЗВИТИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ". Круглый стол № 1 "Дистанционные технологии обучения в техническом вузе". ИНТЕРАКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ РЕС...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ ОТЧЕТ о работе в должности руководителя Государственного образовательного учреждения высшего профессиона...»

«МЕТОДИКА ЗАПОЛНЕНИЯ ОПРОСНОЙ ФОРМЫ НА СТРОИТЕЛЬСТВО ЛОКАЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ КАНАЛИЗАЦИИ Выбор систем очистки сточных вод до требований, удовлетворяющих установленным санитарно-техническим требов...»

«СОГЛАСОВАНО ПРИНЯТО УТВЕРЖДЕНО Решением Решением Приказом директора Методического совета МБОУ Педагогического совета МБОУ МБОУ Гремячевская школа №2 Гремячевская школа №2 Гремячевская школа №2 Протоко...»

«Бочарова Виктория Викторовна АГРЕССИЯ И НАСИЛИЕ КАК СОЦИОКУЛЬТУРНЫЕ ФЕНОМЕНЫ Специальность 09.00.11 – социальная философия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата философских наук Воронеж – 2012   Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Воронежский государс...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ ГОСТР НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ 55488РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 2013 ПРОПОЛИС Метод определения полифенолов Издание официальное Москва Стандартинформ ГО С ТР 55488-2013 Предисловие 1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограничен...»

«ПУБЛИЧНОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "РОССИЙСКИЕ СЕТИ" СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ ПАО "РОССЕТИ" СТО 34.01-2.2-009-2016 АРМАТУРА ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-110 кВ С ЗАЩИЩЁННЫМИ ПРОВОДАМИ Общие технические требова...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" "УТВЕРЖДАЮ" Декан экономического факультета В.В. Московцев " _ 2011 г. " РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ "БУХГАЛТЕРСКИЙ УЧЕТ В Б...»

«Научный журнал “Экономика Украины”. — 2015. — 10 (639) ВОПРОСЫ РАЗВИТИЯ АПК УДК 334.722 + 664.76(477) Б. В. Б У Р К И Н С К И Й, академик НАН Украины, директор, В. М. Л Ы С Ю К, профессор, доктор экономических наук, завотделом рыночных механизмов и структур, О. В. Н И К И Ш И Н А, кандидат экономических наук...»

«ISBN 978-5-89838-822-5 Спорт и здоровьесберегающие технологии, Брянск, 2015 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО "Брянский государственный технический университет" СПОРТ И ЗДОРОВЬЕСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ Матер...»

«к.б.н., доц. Т.В. Пихтова КОНЦЕПЦИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ ГЕОТЕКТОНИКИ (Учебные материалы по курсу Концепции современного естествознания) ВВЕДЕНИЕ Тектоника – отрасль геологии, изучающая структуру земной коры и ее изменения под влиянием механических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом. Тектонические гипотез...»

«263 Приложение 5 ИЗ ЖИЗНИ КАФЕДРЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЯМИ медаль РААСН медаль РААСН ПОДГОТОВКА КАДРОВ Аспирантура и докторантура Подготовлены и защищены Докторских диссертаций 3 Кандидатс...»

«Эффективные алгоритмы решения задач железнодорожного планирования д.ф.-м.н. А.А.Лазарев, к.ф.-м.н. Е.Р.Гафаров Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова Российской академии наук, 119991 Москва, ул. Профсоюзная, д.65, Московский г...»

«Рабочая программа для 11 класса составлена на основе: 1. Закона "Об образовании в Российской Федерации" №273ФЗ от 29.12.2012 года.2. Федерального компонента государственного образовательного стандарта утвержденного приказом Минобразования РФ№108...»

«–1 – Введение Одним из важнейших направлений развития реального сектора экономики является формирование стабильного сегмента малого и среднего бизнеса. В Саратовской области в рамках реализации федерального и регионального законодательства в последние годы были сделаны реальные шаги по созданию ус...»

«11-я НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПРОФЕССОРСКОПРЕПОДАВАТЕЛЬСКОГО СОСТАВА ВПИ (филиал) ВолгГТУ Волжский 27-28 января 2012 Г. Волгоград МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ...»

«Благодаренко Артем Васильевич РАЗРАБОТКА МЕТОДА, АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОИСКА УЯЗВИМОСТЕЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ОТСУТСТВИЯ ИСХОДНОГО КОДА 05.13.19 – Методы и систе...»

«Гусев Николай Анатольевич ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТНОСТИ И АСИМПТОТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ 01.01.03 — Математическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Москва — 2011 Работа выполнена в Московском...»

«монополия и научно-технический прогресс монополистическая и олигополистическая конкуренция как экзогенный фактор роста масштабов и концентрации производства Аннотация Ускорение процессов концентрации производства и капитала является одной из объе...»

«УДК 622.276.6 КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ТЕРМОБАРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН Аглиуллин М.М. ООО НПФ "ИКЭС-нефть", г. Уфа Абдуллин В.М. ДООО "Геопроект", г. Уфа Абдуллин М.М., Курмаев С.А. Уфимский...»

«1 Батуев А.М., краевед Лысьвенский хлебокомбинат. Из истории Хлеб всему голова. Общеизвестна мудрость этой пословицы для многих поколений в России. Доля хлеба была велика и значима в рационе питания наших земляков. Во все века большая часть главного продукта россиян выпекалась в каждой се...»

«УДК 510.643 КУДИНОВ Андрей Валерьевич Топологические модальные логики с модальностью неравенства 01.01.06 — математическая логика, алгебра, теория чисел АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2008 Работа выполнена на кафедре математической логики и теории алгоритмов Механико-математическог...»

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Уральский государственный лесотехнический университет Кафед...»

«Современные педагогические технологии 235 писать какие-то отдельные наблюдения, касающиеся учащихся, работы группы. Аудиозапись или видеозапись занятия. Современные технические средства позволяют произвести аудиозапись или даже видеозапись уро...»

«Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Липецкий государственный технический университет" Экономический факультет УТВЕРЖДАЮ Декан ЭФ Московцев В.В. "." _2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ МИКРОЭКОНОМИКА Направление подготовк...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" Н.П. ПУЧКОВ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА...»

















 
2018 www.new.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - онлайн ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.