12 0,25 1,82 125 28 30 0,75 1,82 115 14

13 0,50 1,05 110 8 31 0,75 1,05 120 18

14 0,50 1,33 110 9 32 0,75 1,33 120 19

15 0,50 1,82 110 10 33 0,75 1,82 120 20

16 0,50 1,05 115 14 34 0,75 1,05 125 23

17 0,50 1,33 115 15 35 0,75 1,33 125 24

18 0,50 1,82 115 15 36 0,75 1,82 125 26

Для определения шкальных значений технологических вариантов применили метод отнесения каждого варианта к одной из категорий на основе создаваемого ими эффекта – поднятия фундамента.

Результаты численного моделирования исследованных 36 вариантов инженерных решений были проранжированы в порядке уменьшения по величине создаваемого ими поднятия фундамента (рис. 6). Каждому из вариантов была присвоена категория по 36-бальной шкале. Это позволило построить диаграмму зависимости поднятия фундамента от категории варианта инженерного решения (a/b, H/D, процентного увеличения подачи объема строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания).

Результаты численных расчетов закономерно и достаточно плотно легли на сглаживающую линейную зависимость (2), аппроксимация в этом случае составила 0,99

t = 0,58p + 27,9, (2)

где t – поднятие фундамента, мм; p – категория варианта инженерного решения, балл.

В связи с этим можно сделать вывод о том, что результаты экспериментов можно аппроксимировать единой зависимостью.

Диаграмма зависимости поднятия фундамента Y от категории варианта X

В диссертационной работе также получена зависимость поднятия фундамента здания (t, мм) от увеличения объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания (n, %), приведенная на рис. 7:

t = 1,04n - 105,55. (3)

Подъем фундамента в зависимости от увеличения в объеме подачи

строительного раствора

Построены номограммы, позволяющие оценить зависимость вертикальных перемещений фундамента здания от величины относительной глубины заложения будущего тоннеля (H/D), различного положения скважин компенсационного нагнетания и процентного увеличения объема этих скважин в результате нагнетания в них строительного раствора. Примеры диаграмм приведены на рис. 8.

Относительная глубина заложения тоннеля H/D

Зависимость вертикальных перемещений фундамента здания

от H/D при a/b=0,25

На основе проведенных в рамках диссертации исследований разработаны практические рекомендации по определению эффективных параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

Работы, связанные с компенсационным нагнетанием в тоннелестроении, предлагается выполнять в следующей последовательности.

Анализ данных инженерно-геологических изысканий, проводимых в месте предполагаемого применения технологии компенсационного нагнетания. Обследование конструкций защищаемых от недопустимых деформаций зданий и сооружений, в том числе фиксация имеющихся дефектов в их основных несущих конструкциях (трещины, сколы, коррозия арматуры и бетона, разрушение материала конструкций и др.).

По полученным данным делается вывод о возможности проведения дальнейшего компенсационного нагнетания по фильтрационной схеме. Основным критерием служит наличие песчаного грунта в зоне предполагаемого компенсационного нагнетания (зона между низом защищаемого сооружения и верхом строящегося тоннеля), а также наличие под защищаемым сооружением прочных подстилающих грунтов, обеспечивающих работу фундамента этого сооружения в процессе компенсационного нагнетания по принципу «плоского домкрата». При отсутствии такого слоя следует выполнить укрепление фундамента защищаемого от осадок сооружения.

Определение шага скважин компенсационного нагнетания в продольном (относительно оси будущего тоннеля) направлении для существующих инженерно-геологических условий.

Основным определяющим критерием служит перекрытие зон образования полостей разрыва (цементных линз) и уплотнение грунта. Для этой оценки предлагается создание плоской расчетной модели в программном комплексе на основе МКЭ («PLAXIS 2D v. 8.5»). При проектировании расстояние между инъекторами должно приниматься в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий в пределах 0,5-1,0 м.

Разработка расчетной модели системы, включающей в себя грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение. Непрерывно меняющиеся в процессе компенсационного нагнетания и проходки тоннеля НДС могут быть оценены проведением пространственного расчета с учетом геометрической и физической нелинейности, анизотропности, начального НДС грунтового массива. Стадийность технологии компенсационного нагнетания и строительства тоннеля учитывается путем решения пошаговой задачи. Расчет изменения НДС грунтового массива рекомендуется выполнять путем математического моделирования численными методами с использованием нелинейной механики сплошной среды (PLAXIS 3D TUNNEL 2).

Выбор рационального положения скважин компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси.

При относительной глубине заложения будущего тоннеля H/D=1…1,40 величина поднятия получившей осадки конструкции практически не зависит от положения скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси (разница в значениях подъема получившей осадки конструкции при различных объемах нагнетания строительного раствора составляет менее 2 мм). При относительной глубине заложения будущего тоннеля H/D>1,40 для достижения большего эффекта поднятия получившей осадки конструкции необходимо, чтобы скважины для компенсационного нагнетания находились как можно ближе к фундаменту этой конструкции (a/b=0,25…0,50, где a и b – расстояния от скважины компенсационного нагнетания до фундамента конструкции и свода будущего тоннеля соответственно).

Выбор длины инъекционной скважины исходя из условия перекрытия ею зоны изменения НДС грунтового массива. Для защиты существующей конструкции от проходки тоннеля основными критериями являются диаметр и глубина заложения будущего тоннеля, его расположение относительно защищаемого сооружения. Длина инъекционной скважины должна назначаться с учетом перекрытия на 1,5-2,0 м призмы обрушения, образующейся при строительстве тоннеля.

Подбор состава строительного раствора для компенсационного нагнетания производится в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий. В первом приближении возможно принять строительный раствор с модулем деформации в процессе выполнения инъекции 8-10 МПа. После набора им проектной прочности модуль деформации увеличивается до 20-30 МПа. Плотность этого раствора с учетом повышенного содержания цемента может быть принята равной 20-25 кН/м3.

В расчетах с использованием программных комплексов на основе МКЭ инъектирование цементного раствора на стадии компенсационного нагнетания задается с помощью опции объемной деформации в грунтовых кластерах. Величина объемного расширения (в процентах) назначается таким образом, чтобы были скомпенсированы осадки защищаемой конструкции. Таким образом, может быть получен необходимый для этого объем строительного раствора.

При выполнении работ по компенсационному нагнетанию необходимо производить непрерывный мониторинг НДС защищаемых объектов, контролировать их реакцию на инъекции строительных растворов, вести научное сопровождение.

Заключение

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

Выполненные в рамках диссертационной работы теоретические исследования с учетом результатов экспериментальных данных позволили установить закономерности в формировании НДС системы «грунт–тоннель–сооружение». Результаты исследований дали возможность:

научно обосновать целесообразность и эффективность применения технологии компенсационного нагнетания;

разработать практические рекомендации конструктивно-технологического и расчетного характера, направленные на повышение эффективности применения данной технологии в тоннелестроении;