Первая глава посвящена рассмотрению конструктивных особенностей набрызгбетонной крепи, применяемой в качестве несущей конструкции тоннеля, анализу происходящих в процессе сооружения тоннеля горным способом изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «крепь – массив», обзору существующих методов расчета набрызгбетонной крепи и методик учета частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки при проведении расчетов НДС системы «крепь – массив».

Набрызгбетонная крепь представляет собой гибкую контурную оболочку, толщина которой изменяется от 8 – 10 до 30 – 40 см. Крепь технологична в возведении, позволяет быстро приспосабливаться к различным инженерно-геологическим условиям на участке строительства путем изменения ее толщины, соотношения составляющих бетонную смесь компонентов, усиления фиброй (фибронабрызгбетон), установкой металлических сеток, арок, грунтовых анкеров. Набрызгбетонная крепь за счет хорошего сцепления с грунтовой поверхностью способствует созданию эффективных условий для сохранения естественной прочности и устойчивости окружающего выработку грунтового массива и вовлечению его в совместную работу в качестве несущего элемента крепи.

Применение набрызгбетонной крепи в качестве самостоятельной несущей конструкции тоннеля возможно в устойчивых грунтах с коэффициентом крепости по М.М. Протодъяконову f = 3 – 8.

Большой вклад в разработку эффективных конструкций и методик расчета, в расширение области применения набрызгбетонной крепи в подземном строительстве внесли отечественные ученые Ш.М. Айталиев, С.А. Атманских, В.А. Борисовец, И.Л. Воллер, Л.А. Воробьев, В.С. Воронин, Д.М. Голицынский, Ж.С. Ержанов, И.Ю. Заславский, Э.В. Казакевич, Г.И. Кравченко, Б.Н. Кузин, В.Е. Меркин, В.М. Мостков, Е.В. Стрельцов, Ю.С. Фролов, В.В. Чеботаев, Л.И. Шилкин и др.; зарубежные ученные В. Виттке, Р. Линдер, Л. Мюллер, Л. Рабцевич, Р. Роттер, Р. Шталь и др.

Важной особенностью ведения проходческих работ горным способом является неизбежное отставание возведения набрызгбетонной крепи от разработки грунта, приводящее на длине передовой неподкрепленной заходки к частичной разгрузке грунтового массива, которая заключается в изменении действующих до начала строительства бытовых напряжений в окружающем тоннельную выработку грунтовом массиве и сопровождается деформациями контура тоннельной выработки. Благодаря этому крепь тоннеля, установленная с некоторым запозданием, подвергается меньшему по сравнению с бытовым горному давлению.

Учет разгрузки массива в призабойной зоне тоннеля при проведении расчетов набрызгбетонной крепи позволяет создавать эффективные конструкции крепи, параметры которой (толщина, армирование), обеспечивая необходимую несущую способность, были бы минимально возможными.

Для расчета набрызгбетонной крепи существует большое количество различных методов, которые можно разделить на две группы: методы расчета на заданные нагрузки (т.н. инженерные методы) и методы механики сплошной среды (аналитические и численные), непосредственно учитывающие совместную работу тоннельных конструкций с окружающим грунтовым массивом.

Инженерные методы опираются на законы строительной механики, согласно которым в расчетной схеме набрызгбетонная крепь рассматривается как прямоугольная пластина или балка, лежащая на опорах или грунтовом основании и загруженная заданной нагрузкой. Опоры имитируют грунтовые анкеры и металлические арки в реальной комбинированной набрызгбетонной крепи. Нагрузка на крепь складывается из веса вышележащих грунтов с учетом возможности образования над выработкой самонесущего свода.

Разработке инженерных методов расчета набрызгбетонной крепи посвящены работы Ш.С. Алимова, Ш.М. Атманского, Н.А. Ванина, И.Л. Воллера, Б.Н. Кузина, В.М. Мосткова, Р. Линдера, Ю.С. Фролова, Б.К. Чукана и др.

В аналитических и численных методах рассматривается контактная задача двух сред «крепь – массив», главная особенность которой заключается в том, что нагрузки, представляющие собой давление грунта на обделку тоннеля, не задаются в качестве исходных данных, а определяются в процессе расчета.

Большой вклад в развитие аналитических методов расчета набрызгбетонной крепи внесли отечественные ученые И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, К.С. Ержанов, Б.Н. Картозия, К.В. Руппенейт, Г.Н. Савин, Н.Н. Фотиева. Из зарубежной практики широко известны работы Шмида, Шульца и Дуддека, Эрдманна.

Численным методам расчета крепи тоннелей посвящены работы Ю.Н. Айвазова, Б.З. Амусина, П.А. Вермеера, В. Виттке, О.К. Зенкевича, М.Г. Зерцалова, Б.Г. Галеркина, А.Б. Фадеева, В.В. Чеботаева, Н.Н. Шапошникова, С.А. Юфина и др.

На современном этапе развития методов расчета учесть с достаточной степенью достоверности величину частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннеля позволяют пространственные численные модели, в которых разгрузка массива учитывается автоматически при задании в моделях этапов проходки тоннеля, включающих продвижение забоя на длину очередной строительной заходки и устройство крепи на длине предыдущей. Но, несмотря на это, в настоящее время для практических целей на этапе проектирования прибегают в основном к плоским расчетным схемам, в которых разгрузка грунтового массива в призабойной зоне тоннеля учитывается в исходных параметрах расчета.

Обзор современного состояния вопроса показал, что назначение степени разгрузки грунтового массива при проведении расчетов плоских численных моделей системы «крепь – массив», как правило, носит эмпирический характер из-за отсутствия рекомендаций по выбору ее величины для многих частных значений технологических параметров сооружения тоннелей.

В связи с этим возникает необходимость в проведении научных исследований НДС грунтового массива в призабойной зоне тоннеля и разработке на их основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Вторая глава содержит методику и результаты проведенных теоретических исследований влияния параметров сооружения тоннеля на НДС грунтового массива в призабойной зоне.

В процессе проведения исследований рассматривался случай сооружения тоннеля способом сплошного забоя с замкнутой набрызгбетонной крепью в однородных скальных устойчивых грунтах с коэффициентом крепости по М.М. Протодъяконову f = 6 – 8. В качестве инструмента исследований использовался программный геотехнический комплекс «PLAXIS 3D Tunnel», в котором была построена пространственная конечно-элементная модель фрагмента однородного грунтового массива, пересекаемого тоннельной выработкой. В силу симметрии поперечного сечения тоннеля относительно вертикальной оси расчетная модель была построена только для одной половины сечения тоннеля (рис. 1).

Для моделирования грунтового массива использована упругопластическая модель Мора-Кулона, крепи – упругая модель.

Этапы расчета пространственной модели соответствовали фактическим этапам проходки тоннеля. На каждом этапе моделировалось раскрытие сечения тоннельной выработки на длину очередной строительной заходки и установка замкнутой набрызгбетонной крепи на длине предыдущей.

Рис. 1. Пространственная конечно-элементная модель исследований (а) и поперечное сечение тоннеля (б)

В ходе проведения исследований предстояло определить степень и характер влияния отдельных механических характеристик грунта (угла внутреннего трения, сцепления, модуля упругости и коэффициента Пуассона), размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки на НДС грунтового массива в призабойной зоне тоннеля.

Для этого были проведены серии расчетов, в каждой из которых при 3 – 4 различных значениях принятого к рассмотрению в данной серии параметра выполнялся расчет на пространственной модели. При этом прочие параметры оставались неизменными. В общей сложности было выполнено 11 серий, включающих 47 расчетов на пространственной модели.

В результате расчетов были получены значения вертикальных составляющих НДС грунтового массива (деформации uy, напряжения ?y) на каждом этапе расчета в шелыге свода контрольного сечения тоннеля, расположенного вне зоны влияния граничных условий модели.

Анализ результатов проведенных серий расчетов на пространственной модели показал следующее.

Наиболее значимой механической характеристикой грунта, определяющей НДС грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки среди рассмотренных характеристик грунта (угла внутреннего трения, сцепления, модуля упругости и коэффициента Пуассона) является модуль упругости.

???????????? ?ж

ращено «ЛНРМ» (линия 2 на рис.2).

Рис. 2. Сводная диаграмма равновесных состояний грунтового массива: 1, 3 – линии разгрузки массива при раскрытии сечения тоннеля в пространственной и плоской моделях (обрываются в момент установки набрызгбетонной крепи в сечении выработки); 2, 4 – ЛНРМ, найденные по результатам расчета пространственной и плоской моделей

В практических целях ЛНРМ может быть использована для определения деформаций контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве, имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи тоннеля, параметры сооружения которого аналогичны параметрам, для которых была найдена ЛНРМ.

Сравнение двух ЛНРМ, найденных по результатам расчетов пространственной и аналогичной плоской модели, показало, что в связи с невозможностью учесть в расчетах последней перераспределение начального поля напряжений в грунтовом массиве, расположенном впереди забоя тоннеля, соответствующая ей ЛНРМ имеет более высокие значения по оси «напряжения» (линии 3, 4 на рис.2).

Также в ходе исследований было установлено, что размеры поперечного сечения выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя, оказывают незначительное влияние (в пределах 4 %) на степень разгрузки грунтового массива в шелыге свода на длине призабойной неподкрепленной зоны.

На рис.3 приведена зависимость коэффициента начальной разгрузки грунтового массива ? от модуля упругости грунта Е при различных размерах поперечного сечения тоннеля. Коэффициент ? определяется по следующей формуле:

где ? – напряжения, действующие в окружающем тоннельную выработку грунтовом массиве в момент включения в работу крепи, МПа;

?0 – бытовые напряжения, действующие в грунтовом массиве в зоне проходки тоннельной выработки, МПа.

Увеличение или уменьшение длины строительной заходки вне зависимости от деформационных свойств грунтового массива, и в частности от значения модуля упругости грунта, приводит к прямо пропорциональному изменению степени разгрузки грунтового массива в шелыге свода тоннеля на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки (рис.4).

На основании обработки методами математической статистики полученных в ходе численного эксперимента соотношений между значениями коэффициента ? и модуля упругости грунта Е при различных длинах строительной заходки L была установлена следующая экспоненциальная зависимость:

где ? – коэффициент начальной разгрузки грунтового массива;

E – модуль упругости грунта, окружающего тоннельную выработку, МПа;

L – длина строительной заходки, м.

Рис. 3. Зависимость коэффициента начальной разгрузки грунтового массива ? от модуля упругости грунта Е при различных размерах поперечного сечения тоннеля (r – радиус свода)