Delist.ru

методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона (19.08.2010)

Автор: Щелочкова Татьяна Николаевна

Рис. 4. Зависимость коэффициента начальной разгрузки грунтового массива ? от модуля упругости грунта Е при различных длинах строительной заходки L

Формула (2) может применяться для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя с замкнутой набрызгбетонной крепью.

В третьей главе приведены результаты сравнительного анализа данных экспериментальных исследований деформированного состояния набрызгбетонной обделки, проведенных в условиях строящейся станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, и результатов численных расчетов, выполненных с учетом установленных в ходе теоретических исследований закономерностей в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны тоннеля.

Односводчатая станция «Чкаловская» расположена на глубине порядка 27 м в вулканогенных метаморфизированных скальных грунтах, представленных преимущественно порфиритами основного состава и туфами порфиритов, коэффициент крепости которых f варьируется от 1 до 12. Слои скальных грунтов смяты в изоклинальные крутопадающие складки, углы падения которых составляют 60? – 80?. С поверхности скальные грунты перекрыты глинистым элювием мощностью 3 – 15 м.

Строительство станции «Чкаловская» осуществляется горным способом с применением тоннелепроходческого комбайна. Последовательность работ в сечении станционного тоннеля представлена на рис. 5.

Исследования проводились в период 2008 – 2009 г.г. в процессе проходки калоттной части станционного тоннеля на первичной набрызгбетонной обделке (этапы V, VI на рис.5) и заключались в систематическом измерении деформаций контура свода станционного тоннеля. Маркшейдерские измерения проводил ООО «Метрострой-ПТС» (г.Екатеринбург).

По мере раскрытия калотты тоннеля через каждые 4 – 5 м назначались контрольные сечения, в которых на решетчатых металлических арках, входящих в состав набрызгбетонной обделки, равномерно размещали 7 – 9 реперов для фиксирования в них значений вертикальных смещений контура крепи. Измерения осуществлялись посредством нивелира, точность которого составляла ±1 мм.

Рис. 5. Поперечное сечение станции «Чкаловская»:

1 ? контрольно-измерительные точки (реперы); I – X – этапы работ по сооружению станционного тоннеля

Общее число контрольных сечений, выбранных для проведения исследований, вдоль станционного тоннеля составило 27. В начальный период проходческих работ измерения осуществлялись ежедневно, в дальнейшем по мере накопления данных, учитывая интенсивность нарастания и постепенное затухание смещений, режим измерений в сечениях корректировался. Так, уже после раскрытия примерно 25 м длины калотты станционного тоннеля измерения проводились только два раза в неделю.

Параллельно для условий имеющихся пяти геологических разрезов, пересекающих станционный тоннель примерно с одинаковым шагом, в программном комплексе «PLAXIS 3D Tunnel» были выполнены расчеты НДС системы «крепь – массив», цель которых была определить деформации набрызгбетонного свода, возникающие в процессе проходки калоттной части тоннеля.

Для этого по геологическим разрезам были построены плоские конечно-элементные модели фрагментов грунтового массива, содержащих сечение станционного тоннеля. При расчете каждой модели учитывалась своя величина частичной разгрузки грунтового массива, имеющей место при раскрытии сечения калотты станционного тоннеля.

Разгрузка массива учитывалась путем ввода в параметры процесса расчета моделей на соответствующем этапе значения коэффициента ?, который определялся на основании значений координат точки пересечения ЛНРМ, характеризующей параметры конструкции и технологии сооружения станции «Чкаловская», и линий разгрузки грунтового массива, характеризующих поведение грунтового массива при раскрытии сечения калотты станционного тоннеля в рассматриваемых геологических разрезах.

В связи с этим предварительно было необходимо установить положение ЛНРМ на диаграмме равновесных состояний «деформации – напряжения». Для этого по одному из намеченных геологических разрезов дополнительно была построена пространственная конечно-элементная модель системы «крепь – массив». Расчет этапов сооружения калоттной части станционного тоннеля в пространственной постановке позволил получить координаты точек ЛНРМ по оси «деформации», на основании которых затем в ходе соответствующих расчетов аналогичной плоской модели были найдены координаты точек ЛНРМ по оси «напряжения».

В итоге, искомые значения коэффициентов ? для параметров сооружения станции «Чкаловская» в рассматриваемых геологических разрезах составили 0,6 – 0,8.

Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований и численных расчетов в целом подтвердил принципиальную возможность применения в расчетах плоских конечно-элементных моделей для определения степени разгрузки грунтового массива при раскрытии сечения тоннельной выработки ЛНРМ.

Расхождения между значениями фактических и расчетных деформаций контура первичного набрызгбетонного свода станции «Чкаловская» составили 10 – 25% (рис.6), причины которых заключаются в наличии погрешностей в натурных измерениях, а также связаны с технологическими факторами.

Четвертая глава содержит описание разработанной методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона и пример расчета одной плоской конечно-элементной модели системы «крепь ? массив», выполненный согласно предлагаемой методике.

Рис. 6. Распределение максимальных вертикальных деформаций контура набрызгбетонного свода (umax) по длине станционного тоннеля (L)

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования НДС системы «крепь ? массив» позволили разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе численных расчетов, в которых с большей точностью и достоверностью учитывается степень разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки.

Область применения методики распространяется на тоннели, сооружение которых осуществляется способом сплошного забоя в неоднородных скальных грунтах, для которых расчет набрызгбетонной крепи необходимо выполнить не менее чем для трех выделенных по трассе строительства характерных геологических разрезов.

Методика может быть реализована с применением современных программных геотехнических комплексов, базирующихся на методе конечных элементов.

Основные положения методики сводятся к последовательному выполнению следующих операций.

1. Построение пространственной конечно-элементной модели фрагмента однородного грунтового массива, в котором проходит тоннельная выработка.

2. Задание этапов расчета пространственной модели, отражающих технологическую последовательность сооружения тоннеля.

3. Расчет пространственной модели при различных значениях модуля упругости грунта: исходном и 4 – 5 значениях, полученных путем умножения первого модуля, например, на коэффициенты 0,5 – 0,9, взятые с шагом 0,1.

Результатами расчетов являются значения деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки на длине передовой заходки.

4. Преобразование пространственной конечно-элементной модели в плоскую путем ограничения ее длины вдоль оси, совпадающей с направлением проходки тоннеля, одним метром.

5. Задание в плоской модели этапа расчета, на котором моделируется только раскрытие сечения тоннельной выработки без установки в нем крепи.

6. Расчет плоской модели при тех же значениях модуля упругости грунта, что были использованы в расчетах пространственной модели. При этом процесс расчета плоской модели каждый раз необходимо останавливать в тот момент, когда деформации неподкрепленного контура тоннельной выработки достигают значений аналогичных деформаций, найденных по итогам расчета пространственной модели.

Результатами расчетов плоской модели являются значения напряжений в окружающем тоннель грунтовом массиве.

7. По результатам проведенных расчетов составляется уравнение ЛНРМ, характеризующей параметры конструкции и технологию сооружения рассматриваемого тоннеля. Уравнение ЛНРМ представляет собой зависимость напряжений в окружающем грунтовом массиве, действующих в момент включения в работу набрызгбетонной крепи, от возникающих при этом деформаций неподкрепленного контура тоннеля.

8. Построение плоских конечно-элементных моделей фрагментов грунтового массива, содержащих поперечное сечение тоннеля, по выделенным вдоль трассы строительства тоннеля характерным геологическим разрезам.

9. Задание в плоских моделях этапа расчета, на котором следует удалить область грунтового массива, заключенную внутри контура тоннеля.

10. Расчет плоских моделей. В отдельных случаях процесс расчета некоторых моделей может быть не завершен по причине обрушения грунта внутрь выработки.

11. На основании результатов расчета каждой плоской модели составляется уравнение линии разгрузки окружающего тоннельную выработку грунтового массива, которое описывает характер изменения НДС грунтового массива при раскрытии сечения тоннеля в каждом из намеченных к расчету геологических разрезов.

12. Определение координат (деформации, напряжения) точек пересечения линий разгрузки грунтового массива с ЛНРМ, которые характеризуют степень разгрузки грунтового массива, предшествующей включению в работу набрызгбетонной крепи в сечениях тоннеля, расположенных в рассматриваемых геологических разрезах.

При этом следует учитывать, что ЛНРМ была найдена для определенного уровня бытовых напряжений, действующих в грунтовом массиве в зоне проходки тоннельной выработки. В связи с этим при вычислении координат искомых точек предварительно следует привести координаты ЛНРМ к уровню бытовых напряжений, действующих в рассматриваемом разрезе, путем пропорционального умножения их на коэффициент, равный отношению бытовых напряжений в грунтовом массиве, действующих в данном разрезе, и соответственно в массиве пространственной модели.

13. Задание в плоских конечно-элементных моделях, построенных по характерным геологическим разрезам, следующего этапа расчета, на котором моделируется устройство набрызгбетонной крепи.

14. Расчет плоских моделей с учетом найденных величин частичной разгрузки грунтового массива на этапе раскрытия сечения тоннельной выработки.

загрузка...