Введение к работе
Актуальность работы. Метрополитен относится к важнейшим транспортным сооружениям городов, обеспечивающих основные перевозки пассажиров. Расчетный срок эксплуатации объектов метрополитена превышает 100 лет, что накладывает особые требования на проектирование и расчет его конструктивных элементов.
Строительство подземных сооружений метрополитена осуществляется в грунтовых массивах с различными прочностными и деформационными характеристиками, которые, как показывают данные натурных наблюдений, в значительной степени оказывают влияние на характер работы обделки. Перегонные тоннели, проводимые в сложных инженерно-геологических условиях, преимущественно закрепляются сборными тюбинговыми обделками из монолитного железобетона или чугуна.
Вопросы расчета обделки перегонных тоннелей рассмотрены в работах О.Е. Бугаевой, Б.А. Картозия, Ю.А. Лиманова, М.О. Лебедева, Ю.С. Фролова, Д.М. Голицинского, В.А. Гарбера, А.Г. Протосени, Ю.Н. Айвазова, Н.Н. Фотиевой и других. Разработкой методик расчета сборных тюбинговых обделок в разные периоды времени занимались С.И. Самусенко, Г. Линк, Г.И. Чайка, Н.С. Булычев, А.Г. Оловянный и другие.
Вместе с тем, существующие методы расчета напряженного состояния сборных тюбинговых обделок не лишены недостатков. Тюбинговая обделка рассматривается как двухслойное кольцо, в то время как в реальности, оно представляет собой сложную ребристую конструкцию. Таким образом, существующие методы расчета позволяют только приближенно оценивать характер работы обделки. Поэтому актуальной задачей является выявление достоверного распределения напряжений в тюбинговой обделке, обеспечивающих надежную оценку ее прочности.
Цель диссертационной работы. Обеспечение прочности и несущей способности тюбинговых обделок перегонных тоннелей метрополитена, сооружаемых в грунтовых массивах различной прочности и деформативности, в том числе в дезинтегрированных зонах.
Идея работы. Расчет тюбинговых обделок перегонных тоннелей должен вестись с учетом конструктивных особенностей обделки, последовательности ее возведения, а также контактного взаимодействия между обделкой и массивом.
Основные задачи исследования:
анализ существующих методов оценки напряженного состояния сборных тюбинговых обделок выработок круглого поперечного сечения;
разработка геомеханической модели взаимодействия “массив-обделка” и выявление закономерности распределения напряжений в элементах сборной тюбинговой обделки;
разработка методики оценки прочности тюбинговой обделки перегонного тоннеля метрополитена на основе решения пространственной задачи с учетом конструктивных особенностей тюбинговых обделок и технологии строительства тоннелей;
оценка прочности сборных тюбинговых обделок.
Методы исследований: натурные наблюдения за состоянием конструкций подземных сооружений и характером формирования нагрузки на обделку перегонного тоннеля; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния сборной тюбинговой обделки методом конечных элементов; сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов.
Научная новизна работы:
Установлены закономерности пространственного распределения напряжений в конструктивных элементах тюбинговых обделок в зависимости от деформационных характеристик грунтового массива, обделки и характера взаимодействия системы “обделка – грунтовый массив”;
Выявлен эффект наличия растягивающих тангенциальных напряжений на внутреннем контуре ребер в своде и лотке обделки, а также их отсутствия в спинке тюбингов при малых величинах модуля деформации грунтового массива и коэффициенте бокового распора < 0.6.
Защищаемые научные положения:
Пространственная геомеханическая модель для прогноза напряженно-деформированного состояния тюбинговых обделок перегонных тоннелей метрополитенов должна учитывать кроме деформационных характеристик массива и обделок, взаимодействие системы “обделка-грунтовый массив”, конструктивные параметры тюбингов и момент ввода в работу тюбинговых колец;
Прогноз тангенциальных растягивающих напряжений в шелыге свода тюбинговой обделки перегонных тоннелей с помощью плоских моделей можно выполнять только в грунтах с модулем деформации 200 МПа и более;
Метод оценки прочности элементов тюбинговой обделки перегонных тоннелей метрополитена должен учитывать пространственное распределение напряжений, величины растягивающих тангенциальных напряжений в ребрах свода и лотка обделки, максимальные сжимающие напряжения в боках ее внутреннего контура и прочностные характеристики материала обделки.
Практическая значимость работы: разработана методика оценки прочности тюбинговой обделки одиночных перегонных тоннелей, с учетом контактного взаимодействия системы “обделка – грунтовый массив” и начального зазора между обделкой и массивом, в том числе сооружаемых в дезинтегрированных зонах.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: обеспечивается натурными исследованиями состояния обделок перегонных тоннелей, использованием современных методов геомеханики, численного моделирования, достаточной сходимостью величин расчетных и натурных данных.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции “Современные проблемы геодинамической безопасности при освоении месторождений полезных ископаемых”, Санкт-Петербург, 2009; на международной научно-практической конференции “Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения”, Воркута, 2010; на заседаниях кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений СПГГИ (ТУ) и получили одобрение.
Личный вклад автора заключается:
в разработке геомеханической модели взаимодействия тюбинговой обделки перегонного тоннеля с грунтовым массивом в объемной постановке, с учетом их контактного взаимодействия;
в проведении численного моделирования формирования напряженного состояния в сборной тюбинговой обделке перегонного тоннеля метрополитена;
в оценке прочности сборной тюбинговой обделки, располагаемой в грунтах с различными деформационными свойствами;
в проведении натурных наблюдениях за состоянием обделки перегонных тоннелей.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов, из них 2 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 119 странице машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список используемой литературы из 73 наименований, 91 рисунок, 8 таблиц, 1 приложение.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю – заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., проф. Протосене А.Г. за идеи, которые послужили основой проведения исследований, внимание, помощь и поддержку, оказанные в процессе выполнения работы; коллективу кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений за полезные замечания и ценные советы.
