Delist.ru

Напряженно-деформированное состояние системы "конструкция тоннеля - грунтовый массив" при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом (13.05.2010)

Автор: Зиборов Максим Андреевич

В связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным на 10…15% в конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25…35% при арочном перекрытии.

Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах не влияет на коэффициент запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля в конструкциях с плоским перекрытием. При этом применение арочного перекрытия увеличивает значение данного коэффициента в конструкции со стенами, доходящими до поверхности земли, на 15% при значениях относительной глубины заложения больших 0,45.

В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на коэффициент запаса прочности.

В связных и несвязных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, при изменении положения уровня грунтовых вод не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее 10%).

По результатам проведенных исследований установлена целесообразная область применения различных модификаций полуоткрытого способа работ и соответствующих им конструкций тоннельных обделок из условия минимизации деформаций грунтового массива и поверхности земли и обеспечения максимального коэффициента запаса прочности элементов конструкции.

С точки зрения обеспечения допустимых деформаций в несвязных грунтах при относительной глубине заложения 0,15…0,6 целесообразно традиционную технологию строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. В связных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15…0,45 целесообразно использовать «зиллертальский» способ с плоским перекрытием, при 0,3…0,6 – с арочным перекрытием.

Из условия обеспечения максимального коэффициента запаса прочности в несвязных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15…0,45 целесообразно применять как траншейный способ, так и технологию, предусматривающую возведение стен до поверхности земли. При относительной глубине заложения 0,45…0,6 целесообразно применять конструкции с арочным перекрытием и со стенами, доходящими до поверхности земли. В связных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15…0,45 можно использовать как траншейный способ, так и технологию, предусматривающую устройство стен до поверхности земли; при относительной глубине заложения 0,3…0,6 - также оба типа конструкции с арочными перекрытиями.

Заключение

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем.

Современный мировой опыт применения различных модификаций полуоткрытого способа строительства городских тоннелей мелкого заложения показал эффективность его использования вследствие быстрого восстановления поверхностных условий. Анализ конструктивно-технологических решений и технико-экономических показателей строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом свидетельствует о том, что его применение наиболее эффективно и экономично в полускальных и мягких грунтах средней и слабой устойчивости при глубине заложения тоннеля 2…12 м. Так, при увеличении глубины заложения с 2 до 9 м снижение относительной стоимости строительства тоннеля полуоткрытым способом по сравнению с открытым достигает 80%, а с 9 до 12 м - от 80 до 75%. Сравнительный анализ стоимости строительства 1 п.м. тоннелей, сооружаемых по различным технологиям, показал, что наиболее экономичным является «зиллертальский» метод, стоимость которого на 10…15% ниже, чем для других модификаций полуоткрытого способа.

Для обоснования рациональных геометрических и конструктивно-технологических параметров различных модификаций полуоткрытого способа выполнены исследования пространственного напряженно-деформированного состояния бинарной системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» на всех стадиях производства работ. Для расчета данной системы в диссертации использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе «PLAXIS 3D TUNNEL», что позволило выполнить пространственные расчеты с учетом технологии строительства.

На разработанной автором диссертации пространственной конечно-элементной модели системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» были проведены 72 серии численных экспериментов применительно к различным модификациям полуоткрытого способа. При этом варьировались такие факторы как относительная глубина заложения тоннеля, положение уровня грунтовых вод, инженерно-геологические условия, тип конструкции тоннеля и технологическая последовательность строительства.

В результате анализа данных численных экспериментов было установлено, что наибольшие деформации грунтового массива возникают в области, прилегающей к ограждению котлована или к стене тоннеля, доходящей до поверхности земли. Поэтому в качестве определяющих параметров деформированного состояния системы были выбраны максимальные значения вертикальных деформаций поверхности земли в указанной области. Изменения значений усилий в конструкциях тоннелей фиксировались в шести сечениях. Для оценки работы конструкции тоннеля был принят коэффициент запаса прочности (отношение несущей способности сечения к действующим в нем усилиям), рассчитанный для соответствующего сечения.

Обработка результатов исследований методами математической статистики позволила получить численные и графические зависимости, дающие возможность оценить для различных модификаций полуоткрытого способа влияние относительной глубины заложения и инженерно-геологических условий на возможные деформации грунтового массива и на значения коэффициента запаса прочности в выбранном сечении. Данные зависимости показывают, что применение «зиллертальского» способа в несвязных грунтах приводит к увеличению максимальной деформации грунтового массива по сравнению с траншейным способом на 25…35% в конструкциях с плоским перекрытием и на 20…30% - с арочным. В связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным на 10…15% в конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25…35% при арочном перекрытии.

При повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха перекрытия тоннеля в несвязных грунтах деформация поверхности земли при «зиллертальском» способе снижается на 30%, при траншейном - на 40%. В связных грунтах изменение данного фактора не оказывает существенного влияния на максимальные деформации грунтового массива.

Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах увеличивает значение коэффициента запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля на 15% по сравнению с траншейным способом при значениях относительной глубины заложения больших 0,45. В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на коэффициент запаса прочности. В связных и несвязных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, при повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха перекрытия не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее 10%).

На основе данных проведенных исследований установлена целесообразная область применения каждой из модификаций полуоткрытого способа работ в зависимости от инженерно-геологических условий и относительной глубины заложения тоннеля h/B (где h - глубина заложения, B - ширина тоннеля). Траншейный способ с плоским перекрытием наиболее эффективен в связных и несвязных грунтах при h/B=0,15…0,45, с арочным - в несвязных грунтах при h/B=0,3…0,6 и в связных грунтах при h/B=0,3…0,45. Целесообразная область применения «зиллертальского» способа с плоским перекрытием – связные грунты при h/B=0,15…0,45, несвязные - при h/B=0,3…0,45; с арочным перекрытием – связные и несвязные грунты при h/B=0,3…0,6.

Полученные в результате проведенных исследований выводы и рекомендации призваны расширить масштабы применения полуоткрытых способов работ в тоннелестроении и использовать полученные зависимости при принятии научно обоснованных конструктивных и технологических решений в процессе проектирования и строительства городских тоннелей мелкого заложения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях:

Зиборов, М.А. Особенности строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. / М.А. Зиборов // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). – М., 2008. – С. 75-79.

Зиборов, М.А. Напряженно-деформированное состояние системы «обделка-грунт» в различных модификациях полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения. / М.А. Зиборов // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). – М., 2009. – С. 80-86.

Зиборов, М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив». / М.А. Зиборов // Транспортное строительство, №11. - М., 2009. – С. 20-22.

Зиборов, М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» с учетом технологии производства работ. / М.А. Зиборов // Наука и техника в дорожной отрасли, №1. - М., 2010. – С. 9-11.

Устройство стены

Устройство перекрытия

Разработка котлована

Восстановление поверхностных условий

Разработка грунтового ядра

Устройство лотковой плиты

загрузка...