Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, конструкции и технологии сооружения станций 11
1.1 Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния вокруг станций метрополитена и подземных сооружений 11
1.2 Конструкции и технологии сооружения станций
1.2.1 Пилонные станции 24
1.2.2 Односводчатые станции 39
1.2.3 Колонные станции открытого типа 51
Глава 2 Анализ натурных исследований напряженно - деформированного состояниямассива при строительстве станций метрополитена 57
2.1 Анализ натурных исследований пилонных станций метрополитена 57
2.1.1 Пилонная станция «Площадь Ленина» 57
2.2 Анализ натурных исследований односводчатых станции 64
2.2.1 Натурные исследования односводчатой станции «Удельная» 64
2.3 Анализ натурных исследований статической работы колонных станций закрытого типа (без боковых платформ) 69
2.3.1 Общий анализ различных станций 69
2.3.2 Станция «Маяковская» 73
2.4 Натурные исследования колонных станций открытого типа 81
2.4.1 Колонная станция «Комендантский проспект» 87
2.4.2 Колонная станция «Проспект просвещения» 94
2.4.3 Колонная станция «Крестовский остров» 100
Глава 3 Методология прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения с учетом этапов строительства 105
3.1 Методология прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения 105
3.1.1 Общие сведения 105
3.1.2 Система «массив - технология строительства - станция» 106
3.1.3 Методы подготовки и способы воздействия на грунтовый массив 109
3.1.4 Численное моделирование системы «массив - технология строительства станция» 113
3.1.5 Естественное напряженное состояние грунтового массива 115
3.1.6 Прогноз напряженно-деформированного состояния грунтового массива... 119
3.1.7 Прогноз напряженного состояния конструкций станций метрополитена... 121
3.1.8 Некоторые аспекты методологии проектирования станций 122
3.2 Методика прогнозирования напряженно-деформированного состояния и
параметров конструкций станций метрополитена глубокого заложения с использованием
численных методов 131
3.3 Численное моделирование пилонной станции метрополитена глубокого заложения 153
3.4 Численное моделирование односводчатых станций
3.4.1 Построение модели и обоснование расчетной схемы 170
3.4.2 Результаты численного моделирования односводчатой станции
3.5 Моделирование напряженно-деформированного состояния обделки станции без боковых посадочных платформ с учетом последовательности ее строительства 181
3.6 Моделирование напряженно-деформированного состояния обделки колонных станций открытого типа с учетом этапности строительства
3.6.1 Станция колонного типа «Комендантский проспект» с металлическими колонно-прогонными комплексами 199
3.6.2 Станция колонного типа «Проспект Просвещения» 204
3.6.3 Распределение вертикальных напряжений на наружных поверхностях обделок колонных станций 210
Глава 4 Численные эксперименты на основе базовых моделей 216
4.1 Численные эксперименты напилонных станциях 216
4.2 Численные эксперименты на односводчатых станциях 222
4.3 Численные эксперименты на колонных станциях закрытого типа
2 4.3.1 Моделирование напряженного состояния в обделке станции без боковых платформ с различным радиусом верхнего свода среднего станционного тоннеля. 227
4.3.2 Моделирование напряженно-деформированного состояния станции с чугунным и железобетонным колонно-прогонным комплексом 237
4.3.3 Новые конструктивные решения колонной станции закрытого типа метрополитена глубокого заложения 245
4.4 Численные эксперименты на колонных станциях открытого типа 251
4.5 Объемно-планировочные и конструктивные решения многофункциональных подземных комплексов с пересадочными узлами метрополитена 256
Заключение 260
Список литературы
- Конструкции и технологии сооружения станций
- Натурные исследования односводчатой станции «Удельная»
- Численное моделирование системы «массив - технология строительства станция»
- Моделирование напряженно-деформированного состояния станции с чугунным и железобетонным колонно-прогонным комплексом
Введение к работе
Актуальность работы. Условия строительства станций метрополитена характеризуются множеством взаимосвязанных природных, техногенных и антропогенных факторов, отражающих специфику требований к способам и технологиям их строительства. При проектировании и строительстве вмещающий массив, технология строительства и станция должны рассматриваться как элементы динамической природно-технической геосистемы.
Важнейшие направления стратегии развития строительства станций метрополитена - исследования геомеханических процессов в системе «массив - технология строительства - станция», свойств вмещающего массива, выбор рациональных конструкций крепи и обделок, методологии геомониторинга для контроля состояния элементов станции на всех этапах их строительства и эксплуатации.
Большой вклад в разработку методов расчета нагрузок и исследования процессов деформирования грунтовых массивов вокруг подземных сооружений внесли Ю.Н. Айвазов, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, Н.И. Ваучский, Б.А. Картозия, М.В. Корнилков, А.В. Корчак, А.Г. Протосеня, А.С. Саммаль, Г.А. Скобенников, П.В. Степанов, Б.И. Федунец, Н.Н. Фотиева, М.Н. Шуплик и др., а станций метрополитена и выработок большого поперечного сечения К.П. Безродный, В.А. Гарбер, Д.М. Голицинский, В.Н. Кавказский, А.Н. Коньков, Н.И. Кулагин, М.О. Лебедев, А.П. Ледяев, В.Е. Меркин, А.Н. Панкратенко, Ю.С. Фролов и др.
Натурные исследования свидетельствуют о существенном влиянии, как технологии строительства (последовательность проходки тоннелей, постепенное раскрытие сечения тоннелей, подвига-ние забоя и т.д.), так и условий контакта обделки с грунтовым массивом на величину и характер распределения нагрузок по обделке станций метрополитена глубокого заложения.
Существующие методы расчета конструкций станций метрополитена глубокого заложения, как правило, основаны на схеме заданных нагрузок, не учитывают сложную объемно-планировочную схему станций и основные этапы технологии их строительства, а также дру-
гие условия и факторы, оказывающие значительное влияние на развитие геомеханических процессов и напряженное состояние и, в связи с этим, не в полной мере отражают особенности их работы.
Расчет сложных конструкции станций в виде стержневой системы на основе строительной механики требует использования значительных допущений, что является серьезной проблемой особенно при разработке принципиально новых конструкций, технологических решений и типов станций ввиду невозможности достоверной оценки величины влияния вносимых изменений в существующую расчетную схему. Для разработки адекватной расчетной схемы, при таком подходе, необходимо строительство станции метрополитена с большими запасами прочности, с дальнейшим проведением натурных исследований на ней, что требует значительных затрат материальных ресурсов при строительстве и времени для разработки рациональной конструкции. Дальнейшее совершенствование станций будет проводится последовательно, длительное время с постепенной корректировкой расчетной схемы и конструкций в соответствии с полученными результатами на вновь построенных станциях. Перечисленные выше проблемы, помимо прочего, привели к тому, что за последние десятилетия проектировщики и конструкторы не разработали новых типов станций глубокого заложения или принципиально новых конструктивных решений.
В связи с этим разработка методологии расчета напряженно-деформированного состояния станции метрополитена на основе открытой динамической геосистемы «массив - технология строительства - станция» с учетом конструктивных особенностей станций и этапов их сооружения, влияющих на протекание геомеханических процессов для обоснования рациональных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, позволяющей на базе созданных численных моделей проводить проектирование станций на новом уровне и в процессе их расчета вносить конструктивные и технологические изменения в модель методом последовательных приближений и получить полную и объемную картину как напряженно-деформированного состояния конструкций станций так и мульды оседания поверхности является актуальной.
Цель работы. Геомеханическое обеспечение проектирования рациональных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, обеспечивающих безопасную и эффективную эксплуатацию станций метрополитена глубокого заложения.
Идея работы. Прогнозирование напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена учитывает их сложную пространственную геометрию, этапы строительства и базируется на открытой динамической геосистеме «массив - технология строительства - станция», позволяющей в процессе расчета и проектирования вносить конструктивные и технологические изменения в модель методом последовательных приближений.
Основные задачи исследований:
разработка методологии прогнозирования геомеханических процессов при строительстве станций метрополитена глубокого заложения;
проведение и анализ натурных исследований напряженно-деформированного состояния несущих элементов станций метрополитена глубокого заложения;
разработка геомеханических моделей и расчетных схем взаимодействия массива и обделки станций метрополитена глубокого заложения;
разработка объемных численных моделей расчета конструкций станций метрополитена, учитывающих конструктивные и технологические особенности строительства станций;
разработка методики геомеханического прогноза напряженно-деформированного состояния станций на основе численного моделирования;
сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований, выявление закономерностей и особенностей формирования напряженно-деформированного состояния станций в процессе их строительства;
разработка новых конструктивных и технологических решений станций глубокого заложения.
Практическая значимость работы:
разработана методика прогноза напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения, основанная на пространственном взаимодействии системы «обделка-грунтовый массив» и учитывающая этапы строительства;
предложены новые конструктивные и технологические решения, обеспечивающие уменьшение материалоемкости, трудоемкости и продолжительности строительства станций метрополитена;
обоснованы рациональные параметры несущих конструкций пилонных и колонных станций метрополитена.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались численные методы расчета напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена, натурные наблюдения за формированием напряженного состояния в них, сопоставление результатов численного моделирования с натурными наблюдениями, системный подход.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
разработана методология прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения с учетом этапов строительства;
выявлены закономерности формирования пространственного распределения контактных давлений на внешних поверхностях обделок станций различных типов метрополитена глубокого заложения от основных этапов их строительства (последовательность проходки тоннелей, постепенное раскрытие сечения тоннелей, подвига-ние забоя и т.д.) с учетом конструктивных особенностей (размеры проемов, размеры колонн и пилонов, материалов конструкций);
установлены закономерности формирования пространственного напряженно-деформированного состояния несущих конструкций колонной станций при изменении параметров конструкций и замене материала.
Основные защищаемые положения:
1. Методология прогнозирования пространственного формирования напряженно-деформированного состояния конструкций при
строительстве станций метрополитена глубокого заложения базируется на использовании открытой динамической системы «массив -технология строительства - станция» и контактном взаимодействии грунтового массива и обделки с применением пространственных численных моделей и учетом взаимного влияния среднего и боковых станционных тоннелей на различных этапах их строительства, видов временной крепи лба забоя.
-
Геомеханическое обоснование параметров пилонных и колонных станций основывается на пространственном представлении их конструктивных элементов и особенностях строительства станций; в пилонной станции раскрытие сечения каждого тоннеля моделируется в два этапа, при последовательном их строительстве; поочередном устройстве проемов; в колонной и пилонной станциях боковые тоннели проходятся способом пилот-тоннеля, а средний - уступами, как и в односводчатой станции; во всех случаях учитывается постепенное подвигание забоя.
-
Обоснование рациональных и геомеханически безопасных конструкций станций нужно выполнять на разработанных базовых объемных численных моделях расчета конструкций станций метрополитена, учитывающих конструктивные и технологические особенности строительства станций и позволяющих в процессе расчетов и проектирования вносить конструктивные и технологические изменения в модель с получением напряженно-деформированного состояния конструкций станций на всех этапах строительства.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается натурными исследованиями работы станций различных типов метрополитена глубокого заложения, использованием современных методов геомеханики, численных экспериментов, статистических методов обработки данных с применением ЭВМ, сопоставимостью результатов расчетов с натурными данными.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях и выставках: Межрегиональной конференции «Освоение подземного пространства в городской застройке. Проектирование и строительство».
ОАО "ЛЕННИИПРОЕКТ", Санкт-Петербург, 2007; Межрегиональной конференции «Обеспечение безопасности при использовании современных технологий строительства подземных сооружений в сложных условиях городской застройки». ОАО "ЛЕННИИПРОЕКТ", Санкт-Петербург, 2008; Международной конференции «Berg- und Huttenmannischer Tag», Германия, Фрайберг, 2008 г; Международной конференции "LA INGENIERIA Y TECNOLOGIAS RUSAS: PERSPECTIVAS DE DESARROLLO" («Российские технологии и инженерное дело: перспективные проекты»), Чили, Сантьяго, 2010 г; IX международной конференции «Школа геомеханики - 2009» Польша, Гливице-Устронь, 2009 г; Международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования», Санкт-Петербург, Горный институт, 2009 г; XVI Московский международный салон изобретений и инновационных технологий «Архимед-2013», Москва, 2013 г; Международная выставка изобретений «Seoul International Invention Fair 2013», Корея, Сеул, 2013 г; Международная научная школа академика К.Н. Трубецкого (Институт проблем комплексного освоения недр) «Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр», Москва, 2014 г., а также обсуждались на заседаниях научно-технического совета по работе с докторантами Национального минерально-сырьевого университета «Горный», на заседаниях кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений и получили одобрение.
Личный вклад автора заключается в: постановке задач исследований, участии в проведении натурных наблюдений, обработке и анализе полученных данных, создании базовых конечно-элементных моделей станций метрополитена, численных экспериментах и анализе полученных результатов, в разработке методики прогноза напряженно-деформированного состояния конструкций станций метрополитена глубокого заложения, разработке методологии численного моделирования открытой пространственной динамической геосистемы «массив - технология строительства - станция» сопоставлении результатов численных экспериментов с данными натурных наблюдений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 16 статей.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 304 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 196 наименований и 3 приложений. Включает 219 рисунков и 12 таблиц.
Конструкции и технологии сооружения станций
Решению контактных задач посвящены работы Ю.Н. Айвазова, Ш.М. Айталиева, И.А. Баславского, И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, Б.А. Картозия, A.M. Козела, А.Г. Протосени, И.В. Родина, Г.Н. Савина, Н.Н. Фотиевой и других авторов.
Наряду с натурными наблюдениями для решения проблемы создания методов расчета нагрузок на крепь выработок издавна привлекались аналитические методы.
Упругая модель деформирования массива рассматривалась Н.С. Булычевым [33, 35], Давыдовой Н.А. [45], А.Н. Динником [73], Г.Н. Савиным [142, 143], Вайнбергом Д.В. [38], Мусхелишвили Н.И. [108], Флорин Н.А. [171, 172], Н.Н. Фотиевой [173, 175], Цитовичем Н.А. [167] и рядом других исследователей. Крепь выработки моделируется впаянным упругим кольцом, несмотря на то, что такой прием ведет к значительному завышению средних нагрузок на крепь. С помощью этой модели удалось оценить роль различных факторов в формировании нагрузок на крепь и углубить наше представление о геомеханических процессах в массиве пород вокруг тоннелей.
Дальнейшим этапом в развитии расчетных методов явился учет вязкости горных пород. Для описания ползучести (вязкости) используются структурные модели и соответствующие им физические уравнения (уравнения состояния), получаемые на основании испытания горных пород. Выделяется три модели [34]: модель Максвела; модель Кельвина и модели обобщенной вязкоупругой среды. Согласно модели Максвела развитие деформаций во времени носит незатухающий характер, поэтому с течением времени в массиве вокруг выработки восстановится гидростатическое поле напряжений, и крепь будет испытывать давление равное уН. Модель Кельвина имитирует затухающую ограниченную ползучесть. Деформирование модели обобщенной вязкоупругой среды характеризуется длительным модулем упругости, деформация с течением времени возрастает, асимптотически приближаясь к величине єх = —. Происходит релаксация напряжений. Наибольшее распространение для описания процессов деформирования горных пород во времени получила теория вязкоупругости, развитая в работах Ж. С. Ержанова [77, 78] и ряда других.
Ю.Н. Работновым [137] предложено рассматривать задачу теории линейной наследственной ползучести как задачу теории упругости с заменой упругих постоянных временными интегральными операторами с ядром ползучести. Среда в наследственной теории ползучести может быть описана интегральными уравнениями Больцмана-Вольтерра: где L(t,r) - ядро ползучести. Ж.С. Ержанов [76] впервые экспериментально показал, что деформирование многих горных пород до определенного уровня нагружения соответствует закону линейной наследственной ползучести с ядром в виде степенной функции (ядро типа Абеля): L(t,z) = S(t-zf, (1.10) где а, 8 - параметры ползучести; t - время наблюдения; г - время, предшествующее моменту наблюдения. На основании принципа Вольтерра А.М.Линьковым и Б.З.Амусиным предложен метод переменных модулей [7], благодаря чему сложные интегральные выражения сводятся к простым алгебраическим выражениям.
Проведенными исследованиями взаимодействия массива горных пород с крепью капитальных выработок [34, 37] методами теории линейной наследственной ползучести установлено, что при отсутствии крепи напряжения в массиве соответствуют мгновенно упругим и не релаксируют, перемещения с течением времени возрастают. Вблизи закрепленной выработки радиальные напряжения возрастают, а тангенциальные по такому же закону уменьшаются, сохраняя максимум на контуре ствола.
Вопросы реологии массива и учета ползучести пород при расчете обделок подземных сооружений нашил отражение в исследованиях Ю.Н. Айвазова, Ш.М. Айталиева, И.А. Баславского, Н.С. Булычева, В.Т. Глушко, М.М. Гольдштейна, А.Г. Протосени и других авторов.
А.П.Максимовым [101] для описания деформирования пород при достижении касательными напряжениями предельного сопротивления сдвигу была рассмотрена вязкопластическая модель взаимодействия, в которой он использовал дифференциальное уравнение Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости.
Одномерный анализ деформирования массива пород, модулируемого средой Шведова-Бингама, ослабленного выработкой круглого сечения, выполнен Ю.А. Песляком и К.В. Руппенейтом [140]. Вокруг выработки образуется зона пластического течения (релаксация напряжений), радиус которой зависит от времени.
При сооружении выработок в сыпучих и нарушенных породах вблизи контура происходит образование зоны предельных (пластических) состояний.
Жесткопластическая модель взаимодействия предполагает образование устойчивого "свода", ограничивающего область деформирующихся при сооружении выработки горных пород. Неупругие деформации намного превосходят упругие и вызываются собственным весом пород в объеме зоны смещения. За пределами этого "свода" массив не оказывает влияния на крепь. Частным случаем жесткопластической модели являются работы М.М.Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, М.П. Бродского и др., в которых рассматривается образование свода обрушения.
М.М. Протодьяконов считал, что давление на крепь зависит от свойств (крепости, удельного веса) пород и пролета выработки, а от глубины не зависит (при незначительных глубинах). Для определения давления на крепь он предложил следующую зависимость: где Ь - полупролет выработки. Исследованию жестко-пластической модели взаимодействия сыпучей среды с крепью посвящены работы В.Г. Березанцева [28], Г.Л. Фисенко [170], Н.С. Булычева [33, 34].
В.Г. Березенцевым [28] рассмотрена среда, обладающая сцеплением и внутренним трением, характеризующаяся прямолинейной огибающей наибольших кругов напряжений. Условие предельного равновесия выполняется в каждой точке области предельного равновесия на площадках скольжения, по которым происходит разрушение пород и их перемещение.
Н.С. Булычевым [33, 34] был исследован характер деформирования сыпучей среды вокруг вертикальной цилиндрической выработки. В результате проведенных экспериментов и аналитических исследований следует, что величину нагрузки на крепь ствола можно искать как давление сползающего объема усеченного цилиндра под углом S.
Особенности жесткопластической модели в том, что нагрузка на крепь возрастает с увеличением зоны нарушенных пород (т.е. зависит от поперечного сечения выработки) и мало зависит от глубины и параметров крепи.
Модель упруго-пластической среды для определения нагрузок на крепь капитальных выработок рассматривалась Р. Феннером, А. Лабассом и другими учеными.
В упругопластической модели массив представлен с образованием в нем зон пластических деформаций. За пределами зоны пластичности массив принимает участие в нагружении крепи. Пластические деформации происходят без изменения свойств пород.
Р. Феннером в 1938 г. был рассмотрен массив, обладающий только внутренним трением [169]. Соотношение между напряжениями в пластической зоне вокруг ствола определяются условием Кулона-Мора (сцепление равно 0). Предполагается, что нагрузка на крепь формируется как за счет давления пород в зоне неупругих деформаций, так и за счет упругого взаимодействия массива пород. Нагрузка на крепь вычисляется по формуле: где ге - радиус зоны пластических деформаций. Из выражения (1.14) следует, что величина давления на крепь зависит от радиуса зоны пластических деформаций, причем с увеличением этого радиуса давление уменьшается.
Натурные исследования односводчатой станции «Удельная»
Станция метрополитена «Проспект Просвещения» сооружалась в плотных котлинских глинах и представляет собой широко применяемую в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга трехсводчатую конструкцию колонного типа из сборного железобетона. Своды опираются на два колонно-прогонных комплекса, состоящих из стальных двухконсольных ригелей коробчатого поперечного сечения с криволинейным нижним поясом, стальных колонн коробчатого сечения с опорным стальным башмаком и нижнего прогона из монолитного железобетона.
В торцевой части станции был возведен опытный участок конструкции, включающий пять пар ригелей и колонн, выполненных из сборного железобетона; остальные элементы конструкции типовые.
Исследования проводились лабораторией ЦНИИС в условиях строящейся станции на ее опытном и, дополнительно, на типовом участке, а также в процессе эксплуатации (в течение 12 лет после завершения строительства). На опытном участке, примыкающем к торцевой стене станции (рисунок 2.37), измерительными приборами были оснащены три верхних железобетонных ригеля (Р-6, Р-7 и Р-8) и 3 железобетонные колонны (К-8, К-5 и К-7) по левому станционному тоннелю (рисунок 2.38). Накладные струнные датчики были установлены на верхнем стальном опорном поясе железобетонных ригелей.
На типовом участке станции, примыкающем к опытному, по левому станционному тоннелю две стальные колонны были оснащены дополнительно накладными струнными датчиками, установленными вертикально в среднем сечении колонны по одному на двух ее гранях (вдоль станции).
Схема расположения датчиков в конструкции: - магнитоупругий датчик; D - то же, но предварительно установленный в бетонный кубик 5x5x5 см; I - струнный датчик На рисунках (рисунок 2.39 - рисунок 2.42) представлены результаты длительных наблюдений за развитием относительных деформаций, напряжений и нормальных сил в колонно-прогонном комплексе опытного и типового участков. Отмечен непрерывный рост относительных деформаций, нормальных напряжений и нормальных сил на контакте с массивом в течение всего исследуемого периода [46]. Рассмотрим развитие нормальных тангенциальных напряжений на опытном участке в железобетонных колоннах № 8, 5, 7. После установки колонно-прогонных комплексов изменений напряженно-деформированного состояния в них не наблюдается.
При разработке верхнего свода, в течение первого месяца, напряжения в колонне увеличиваются равномерно и достигают средней величины 5,6 МПа. За это время установлено 38 колец верхнего свода (забой ушел за опытный участок).
При разработке верхнего свода среднего тоннеля до 42 кольца, на промежутке времени между измерениями в 3 дня, наблюдалось уменьшение напряжений на 0,6 МПа в колонне № 8 (ближней к торцевой стене). За этот промежуток времени в остальных колоннах опытного участка напряжения в среднем увеличились на величину 0,6 МПа. Продолжительность наблюдений, сут.
График развития напряжений в железобетонных колоннах в первый период Далее, при продвижении забоя верхнего свода и разработке ядра среднего тоннеля, происходит резкое возрастание напряжений в колоннах. По измерению, выполненному через 44 дня после предыдущего, напряжения увеличились на величину: в колонне № 8 -4,5 МПа, в колонне № 5 - 3 МПа, в колонне № 7 - 4,8 МПа. К этому моменту времени по верхнему своду установлено 58 колец, разработка ядра выполнена до кольца № 24 и установлено 6 колец обратного свода.
Не установлены максимальные величины напряжений, которые испытывают колонны после установки колец верхнего свода и отхода забоя, поскольку на конец рассмотренного момента времени на опытном участке уже разрабатывалось ядро и установлены кольца обратного свода, что оказывает значительное влияние на формирование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции.
По измерению, выполненному через 7 дней, получено снижение напряжений на величину: в колонне № 8 - 0,56 МПа, в колонне № 5 - 1,16 МПа, в колонне № 7 -0,55 МПа. На конец рассматриваемого промежутка времени возведено 23 кольца обратного свода.
Далее в течение 2 лет и 7 месяцев интенсивность роста средних напряжений по колоннам составила 0,5 МПа/мес.
На конец измерений (2001 год) скорость роста напряжений в колоннах составила в среднем 0,26 МПа/год. После установки колонно-прогонных комплексов, в течение 4 дней, в колоннах наблюдаются растягивающие напряжения, достигающие в колонне № 1 величины 0,74 МПа, в колонне № 2 - 2,1 МПа. Через три дня в колонне № 1 напряжения становятся сжимающими и достигают величины 1,4 МПа. В колонне №2 напряжения не меняются. К этому моменту верхний свод разработан до 38 кольца. Далее, в течение 24 дней, наблюдается рост напряжений, достигший величины в колонне № 1 - 29,4 МПа, в колонне № 2 - 16,8 МПа (рисунок 2.40).
Через 7 дней после предыдущего измерения с продвижением верхнего свода напряжения увеличились (рост на 27 МПа). В колонне №2 абсолютная величина напряжений составила 44,1 МПа (рост на 27 МПа). За этот же период напряжения в колонне № 1 достигли значений 35,7 МПа (увеличение на 6,3 МПа). Серия измерений, проведенная еще через 10 дней, показала снижение напряжений при влиянии обратного свода в колонне № 2 на 3,15 МПа, до величины 41 МПа, и увеличение напряжений в колонне № 1, которые выросли на 11,7 МПа и составили 47,4 МПа.
В соответствии со скоростью проходки среднего тоннеля, наблюдается смещение во времени изменения напряженно-деформированного состояния в элементах колонно-прогонных комплексов на 10 дней. Например, характер изменения напряжений, который испытала колонна № 2 в данный момент (при выполнении определенных технологических операций по проходке среднего тоннеля), колонна № 1 испытает через 10 дней. Это вызвано последовательным расположением исследуемых колонн по длине станции.
Отмеченное последней серией измерений, среднее по 2 датчикам, уменьшение напряжений в колонне № 2, также испытывает и колонна № 1, но в следующем промежутке времени.
Далее, вплоть до последнего измерения, напряжения незначительно растут: в колонне № 1 0,5 МПа/мес, в колонне № 2 0,35 МПа/мес.
В течение последующих 83 дней в колонне № 2 рост напряжений составил 14,7 МПа/мес. К этому моменту установлено 132 кольца в обратном своде. Проходка верхнего свода завершена. В этот период напряжения имеют незначительный рост в колонне № 1 по 0,5 МПа/мес, который сохраняется в дальнейшем.
В конце периода наблюдений скорость увеличения напряжений незначительна: в колонне № 1 0,5 МПа/мес, в колонне № 2 0,35 МПа/мес.
В результате длительных исследований развития напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов станции в 1990 году лабораторией ЦНИИС получено, что средняя скорость роста нормальных тангенциальных напряжений составила в стальных колоннах № 2 - 0,12 МПа/мес, № 1 - 0,22 МПа/мес.
Численное моделирование системы «массив - технология строительства станция»
Как правило, строительство тоннелей имеет достаточно большую продолжительность во времени (месяцы и годы). Это обстоятельство свидетельствует о том, что в большинстве случаев расчеты даже на период строительства необходимо производить с учетом реологических свойств горных пород, а именно - ползучести. Учет ползучести при расчете постоянной обделки на период эксплуатации должен выполняться в обязательном порядке.
Наиболее традиционным и простым в реализации подходом к учету ползучести горных пород является так называемый «метод переменных модулей». В этом случае у породного массива, который находится в работе определенное время, в увязке с технологическими особенностями строительства тоннеля, последовательно изменяется жесткость путем изменения модуля упругости. Возможен вариант, когда породному массиву изначально задаются так называемые длительные деформационные характеристики (длительные модуль упругости и коэффициент Пуассона); в этом случае нет необходимости увязывать изменение деформационных свойств массива с графиком строительства тоннеля.
У вышеописанного подхода есть существенный недостаток - его применение очень сильно завышает величины деформаций породного массива и, как следствие, завышаются величины напряжений в крепи или системе «обделка-крепь». Кроме этого, полученное в результате выполнения такого решения напряженно-деформированное состояние не будет в полной мере соответствовать реальной картине проявления ползучести.
В качестве альтернативного подхода к моделированию процессов ползучести можно отметить непосредственную реализацию реологических моделей. В этом случае необходимо отметить, что временную продолжительность каждого шага расчета необходимо определять в увязке с графиком строительства тоннелей.
Такой подход является более сложным в плане практической реализации, однако он лишен недостатков метода переменных модулей. А именно - он позволяет самое главное, соответствующую реальной физике процесса картину формирования напряженно-деформированного состояния системы «обделка-крепъ-массив» во получить четкую и, времени.
Непосредственно реализация моделирования влияния основных факторов в рамках численного комплекса должна осуществляться исходя из принципа конечной достоверности полученных результатов. Т.е. в каждом случае при разработке подхода к моделированию необходимо выполнять анализ полученных результатов и выполнять их сопоставление с результатами натурных наблюдений.
Помимо этого, также стоит отметить, что в конечном итоге модель строительства тоннеля должна учитывать лишь основные факторы, влияющие на конечный результат в каждом конкретном случае. Учет множества вспомогательных, но не определяющих факторов, как правило, приводит к избыточной перегруженности модели, а в дальнейшем и к трудностям в анализе полученных при выполнении расчетов результатов.
Временную и постоянную крепь при выполнении численного моделирования рекомендуется представлять в виде балочных элементов, при плоско-деформационной постановки задачи и в виде оболочек в объемной постановке.
Допускается рассматривать крепь подземных сооружений в виде сплошных плоских или объемных элементов. При этом количество конечных элементов по толщине должно быть не менее трех. Применение специальных формулировок конечных элементов, допускает уменьшение количества элементов по толщине обделки, но требует обоснования.
В большинстве случаев, при выполнении численного моделирования строительства тоннеля, обделка тоннеля не рассматривается на первых этапах. В то же время, работа с элементами может осуществляться только в том случае, если они созданы на этапе формирования начальной конечно-элементной сетки. Поэтому до момента ввода обделки тоннеля в работу, жесткость и весовые показатели элементов, характеризующих работу обделки, должны быть исключены из расчета (приравнены к нулевому значению), а деформации этих элементов не должны приводить к формированию напряжений. На этапе ввода обделки в работу, жесткость этих элементов добавляется к общей матрице жесткости рассматриваемой модели.
Обделку тоннеля можно представить в виде сплошных элементов или структурных элементов (оболочки, балки). Моделирование обделки тоннеля сплошными элементами позволяет применять различные модели поведения материала для описания ее поведения. Сложные пространственные обделки, например, тюбинги, практически невозможно корректно описать структурными элементами. Недостатком сплошных элементов является необходимость обеспечить корректное соотношение их поперечных размеров. С учетом того, что диаметр обделки достаточно большой по сравнению с ее толщиной, для обеспечения нормального соотношения размеров, размер конечных элементов должен быть достаточно малым.
Толщина структурных элементов является внутренним параметром таких элементов и не зависит от ее геометрических размеров. Это позволяет значительно уменьшить размерность задачи и повысить качество конечно-элементной сетки в окрестности тоннеля. Еще одним преимуществом структурных элементов является возможность получения усилий (продольная сила, поперечная сила, изгибающий момент, крутящий момент) действующих в сечении обделки в явном виде, так как такая формулировка заложена непосредственно в сам элемент. Определение усилий, действующих в обделке моделируемой сплошными элементами также возможно, но потребует дополнительных вычислительных операций.
Контактное взаимодействие между отдельными элементами в крепи зависит от ее конструкции и может приниматься как жестким, шарнирным, так и иметь конечную жесткость.
Взаимодействие между вмещающим массивом и обделкой можно рассматривать как жесткое, если коэффициент трения между ними более 0,5 и ожидаются малые деформации.
Взаимодействие между вмещающим массивом и обделкой рассматривается с учетом возможности проскальзывания вмещающего массива относительно обделки, если коэффициент трения между ними менее 0,5 или если ожидаются большие деформации.
Отставание возведения крепи от забоя тоннеля допускается учитывать путем перемножения полученных значений напряжений на коэффициент а. Коэффициент а определяется по данным натурных исследований или по одной из расчетных методик.
При значительном развитии зон пластических деформаций в окрестности станции метрополитена, коэффициент а должен определяться по данным специализированных организаций.
Рекомендуется выполнить сопоставление результатов расчетов с натурными исследованиями. Для этого в базовой численной модели снимаются значения напряжений или деформаций в элементах обделки, в которых проводились натурные исследования и сопоставляются с натурными данными. Это позволяет выполнить корректировку модели для получения необходимой величины сходимости с натурой.
Моделирование напряженно-деформированного состояния станции с чугунным и железобетонным колонно-прогонным комплексом
Для станции «Проспект Просвещения» со стальными колонами, на которой был сооружен опытный участок с железобетонными колонно-прогонными комплексами.
Глубина заложения станции 53 м. Вся толща пород представлена кембрийскими глинами мощностью 11м над верхним сводом и наносами мощностью 42 м.
На первом этапе рассмотрен один боковой станционный тоннель. Наибольшие вертикальные напряжения ау проявляются в боках обделки тоннеля на внутреннем контуре и достигают величины 13,7 МПа. В кровле и почве вертикальные напряжения не превышают -1,5 МПа. Также происходит концентрация вертикальных и горизонтальных напряжений на внутреннем контуре сужающейся части тюбинга временного заполнения 8,5 ОБС в нижнем стыке с блоком ФБС Оу = 13 МПа, ах = 6,2. Такой концентрации вертикальных напряжений в верхнем стыке с тюбингом ОЧС не наблюдается, а горизонтальные напряжения Ох достигают величины 14,5 МПа.
Горизонтальные напряжения ах в сводах тоннеля достигают максимальной величины 4,7 МПа. Наименьшие горизонтальные напряжения возникают в боках обделки тоннеля и не превышают 1 МПа.
Горизонтальные напряжения az имеют более равномерное распределение в обделке тоннеля по сравнению с ах и ау.
Наибольшая концентрация горизонтальных напряжений az = 6 МПа наблюдается на внутренней части верхнего и нижнего стыков тюбингов временного заполнения 8,5 ОБС с тюбингами ОЧС и блоками ФБС. На внутреннем контуре боков тоннеля напряжения Gz достигают 3 МПа. В остальных частях обделки нормальные горизонтальные напряжения az значительно меньше.
На втором этапе рассмотрено два боковых станционных тоннеля. Взаимное влияние двух боковых станционных тоннелей приводит к значительному увеличению только горизонтальных напряжений ох.
Наибольшая концентрация горизонтальных напряжений ax = 16 МПа наблюдается на внутренней части верхнего стыка тюбинга временного заполнения 8,5 ОБС и тюбинга ОЧС (на 1,5 МПа больше, чем в модели с одиночным тоннелем). В нижнем стыке напряжения не превышают 6,6 МПа.
Напряжение ах в элементах сводов не превышает величины 4,6 МПа. Наименьшие горизонтальные напряжения ах наблюдаются в боках обделки тоннеля и находятся в диапазоне 0,4... 1,4 МПа. На третьем этапе рассмотрено сооружение верхнего свода станции с железобетонными колонно-прогонными комплексами. Так, в среднем сечении колонн, на гранях вертикальные напряжения достигают величины 13...20 МПа. Наблюдается неравномерное распределение вертикальных напряжений в сечении колонны.
Наибольшая концентрация напряжений по-прежнему наблюдается в среднем сечении нижнего Оу (рисунок 3.51, а) и верхнего стальных опорных элементов Оу (рисунок 3.51, б). По мере перемещения от центра верхнего опорного элемента к его торцам, напряжения ау снижаются. Наибольшие вертикальные напряжения в верхнем ригеле зафиксированы в месте опирання на него верхнего опорного элемента ау = 17 МПа, а также на контакте с колонной ау = 14 МПа. Наименьшие вертикальные напряжения возникают на стыке соседних ригелей и не превышают 7,3 МПа.
С вступлением колонно-прогонных комплексов в работу при разработке верхнего свода происходит перераспределение вертикальных напряжений в тюбингах временного заполнения 8,5 ОБС. Напряжения ау снижаются в верхнем стыке с тюбингом ОЧС и нижнем стыке с блоком ФБС до величин соответственно 10 МПа и 6,4 МПа.
Наибольшая концентрация горизонтальных напряжений ах наблюдается в местах замыкания верхнего свода на тюбинг ОЧС и обратного свода на тюбинг ФБС, на их внутренних поверхностях. В обделке станции наибольшие напряжения возникают в верхнем и нижнем сводах. Наименьшие напряжения ах наблюдаются в боках обделки бокового станционного тоннеля.
В среднем сечении стального нижнего прогона, со стороны бокового тоннеля, также происходит концентрация горизонтальных напряжений ах.
Наибольшая концентрация горизонтальных напряжений az наблюдается на торцах нижнего и верхнего прогонов. В средней части нижнего прогона напряжения az не превышают 1,7 МПа. Также концентрация горизонтальных напряжений az наблюдается в месте опирання внутренних граней колонны на нижний ригель. В ядре нижнего и верхнего ригелей происходит снижение напряжений az до 1,8 МПа. В элементах обделки и массива наблюдается достаточно равномерная картина распределения горизонтальных напряжений Gz.
На четвертом этапе рассмотрено сооружение станции на полное сечение с железобетонными колонно-прогонными комплексами.
Вертикальные напряжения в колоннах достигают величины 22...26 МПа. Причем, наблюдается неравномерное распределение вертикальных напряжений в сечении колонны. Напряжения оу значительно увеличиваются по мере удаления от среднего тоннеля. Подобная картина наблюдалась и при сооружении верхнего свода.
В середине стального верхнего опорного элемента наблюдается наибольшая концентрация напряжений в среднем сечении оу = 36 МПа. По мере перемещения от центра к его торцам, напряжения ау снижаются до 15 МПа.
Наибольшие вертикальные напряжения в верхнем ригеле зафиксированы в месте опирання на него верхнего опорного элемента, а также на контакте с колонной (рисунок 3.53). Наименьшие сжимающие напряжения возникают на стыке соседних ригелей и не превышают 8 МПа. В центре верхнего ригеля сжимающие напряжения ау составляют 14,2 МПа.
В нижнем ригеле можно видеть конусообразное распределение сжимающих напряжений (рисунок 3.52). Максимальные их значения 26 МПа возникают в местах опирання граней колонн на нижний ригель и нижнего ригеля на нижний опорный элемент. В блоке ФБС напряжения ау уменьшаются по мере удаления от нижнего опорного элемента. В углах нижнего ригеля сжимающие напряжения не превышают 1 МПа. В нижнем ригеле наблюдаются небольшие растягивающие напряжения, достигающих максимальных значений на стальном опорном элементе по оси опирання колонн (рисунок 3.54). Напряжения в стальном нижнем прогоне достигают величины ау = 71 МПа. Концентрация вертикальных напряжений в нижнем ригеле и блоке ФБС смещена относительно оси нижнего прогона в сторону бокового станционного тоннеля.
Вертикальные напряжения в элементах верхнего свода среднего тоннеля увеличиваются по мере приближения к тюбингу ОЧС (рисунок 3.55). В самом тюбинге ОЧС напряжения увеличиваются в местах его опирання на металлобетон, достигая 26 МПа. Наибольшие сжимающие напряжения формируется в нижней части верхнего опорного элемента. Также концентрация напряжений наблюдается в боках обделки станции, достигая максимальной величины 12 МПа на их внутренних поверхностях.
Горизонтальные напряжения ах в обделке нижних сводов среднего и боковых тоннелей не превышают 6 МПа. В элементах верхнего свода боковых тоннелей напряжения Ох достигают величины 5 МПа. В верхнем своде среднего станционного тоннеля максимальные горизонтальные напряжения GX = 7 МПа возникают в среднем горизонтальном сечении обделки. Наименьшие горизонтальные напряжения ах возникают в боках обделки.
В местах опирання граней колонны на нижний ригель происходит концентрация горизонтальных напряжений ах = 13 МПа. Также максимальные напряжения ах наблюдаются в элементах нижнего прогона, достигающие величины 12 МПа. На внутренней поверхности нижних обратных сводов среднего и боковых тоннелей, в местах примыкания к блоку ФБС происходит концентрация горизонтальных напряжений.
В элементах обделки наибольшая концентрация горизонтальных напряжений az наблюдается в боках станции, на внутренней поверхности и в местах ее замыкания на колонно-прогонные комплексы, достигающая величины 7 МПа. Такие же напряжения возникают на внутренних гранях криволинейного пояса верхних. Наибольшая концентрация напряжений az = 26,3 МПа возникает в элементах верхнего и нижнего прогонов.