Введение к работе
Актуальность темы. Конструктивное и технологическое совершенствование обделок подземных сооружений является одним.из главных напраялений. технического-прогресса в подземном строительстве. Задача рационального проектирования подземных конструкций в полной мере может быть решена только на основе, современной методологии расчета, впитавшей в.себя, достижения це~ лого ряда научных дисциплин, отличающейся достоверностью, базирующейся на обоснованных предпосылках, которые должны отражать реальные свойства массива пород, конструктивные особенности обделки и совокупность технологических факторов. Именно такой подход к расчету обделки может позволить удачно совместить необходимые требования ее надежности и экономичности.
Практикой выдвигается необходимость создания на базе разрозненных методов расчета и отдельных расчетных предложений единой методологии - действенного инструмента исследования основных аспектов геомеханического доведения массива в. зоне горнопроходческих работ и его взаимодействия с обделкой.
Разработка и обоснование такой методологии.расчета-представляет, собой решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Тема диссертации связана с научно-исследовательскими работами, выполняемыми по отраслевым научно-техническим программам союзного и республиканского уровней. К таким НИР относятся:
Тема "Совершенствование методов расчета транспортных тоннелей" (Сводный план НИР вузов по дорожно-ыостовой тематике на.1981-1985 г.г. - НТС Минвуза СССР). Шифр 27.5.LJ6 гос.рег. 01*81.40 05368.
Тема "Прикладные проблемы механики подземных сооружений" (План НИР Минвуза УССР на 1986-1990 г.г.). Шифр I.3.I. В гос. per. 0186.0 054006.
Тема "Разработка рекомендаций по расчету прогрессивных конструкций Ленинградского метрополитена с учетом реологии породного массива и технологических факторов" ( Ведомственный план Минтрансстроя СССР ). Шифр 326. № гос. per.
Цель диссертационной работы - разработка методологии- оценки взаимодействия массива пород с обделкой подземного сооружения, отражающей совместное влияние реологических свойств породы, специфики ведения горнопроходческих работ, конструктивных .особенностей обделки и технологической последовательности ее сооружения.
Основная идея работы. Оценка развития напряженно-дсформированного состояния массива пород и обделки подземного сооружения должна выполняться на основе расчетно-теоретической модели, отражающей в едином комплексе реальные свойства массива, -конструктивные особенности обделки, технологические факторы. Именно такая модель должна определять оптимальные параметры, обделки и выбор способа строительства подземного сооружения.
Задачи исследования:
- разработка механической модели, адекватно отражающей реаль
ные условия строительства подземного сооружения, и развитие на
учных подходов, позволяющих учесть эти условия при оценке нап
ряженно-деформированного состояния массива и обделки;
-г- постановка и решение задач прикладной механики, открывающих возможность для перехода от механической к математической модели взаимодействия массива и обделки;
- создание математической расчетно-теоретической модели, учи
тывающей структурные и реологические свойства породы, конкрет
ную конструктивную и технологическую специфику обделки и прод
вижение забоя при проведении проходческих работ;
--составление инженерного алгоритма расчета различных типов .обделок, сооружаемым по конкретным технологическим схемам, позволяющего оптимизировать систему "массив-обделка" и. обеспечить рациональность ее конструктивных и технологических параметров ;
-установление наиболее характерных закономерностей взаимодействия массива с обделкой и разработка практических рекомендаций "по расчету и проектированию подземных сооружений. Методы исследования. Работа включает:
- аналитические решения задач подземной геомеханики с исполь
зованием положений теории упругости и строительной механики на-
базе-аппарата функций комплексного переменного и конформного, отобракения областей и границ;
-. отражение в расчетных зависимостях структурных и реологических свойств массива на основе введения эффективных деформа-тивных' характеристик породы и применения принципа Вольтерра; . . - разработку алгоритма расчета и программного обеспечения для ЗВМ, выполнение численных исследований механического.поведения компонентов системи "массив-обделка" на различных этапах сооружения и эксплуатации подземных объектов;
анализ результатов, разделение исходных и .промежуточных параметров массива и обделки на глобальные и второстепенные, позволяющее в ряде случаев обоснованно упростить алгоритм;
сопоставление результатов реализации расчетов по разрабо~ тайной методологии с данными теоретических исследований, расчетов по МКЭ, натурных экспериментов, выполненных другими авторами и научно-исследовательскими коллективами;
выполнение практических расчетов обделок и их оптимизацию при проектировании объектов подземного строительства, изучение и оценку результатов при многолетнем наблюдении за этими объектами.
Основные научные положения, выносимые на защиту: Ї. Развитие взаимодействия массива пород с обделкой подземного сооружения во всех стадиях его строительства и эксплуатации с необходимой количественной и качественной достоверностью оценивается на основе комплексного учета совокупности всех важнейших естественных и производственных факторов, влияющих на это взаимодействие. К таким факторам относятся:
упругие, реологические и структурные свойства массива пород;
конкретная конструктивная и технологическая специфика обделки, .условия-ее контакта с массивом пород;
продвижение забоя при проходке, его конфигурация, степень ослабления массива на предзабойном участке;
связь во времени и расстоянии мезду разработкой породы в забое, возведением обделки и включением ее в совместную рабо- ' ту с массивом пород.
При .этом система "массив-обделка" последовательно переходит из одной характерной стадии взаимодействия в другую, наследуя в кавдой стадии напряженно-деформированное состояние, слонявшееся к концу предыдущей.
-
Математическая модель взаимодействия массива пород с. обделкой подземного сооружения, разработанная на базе ввдвину-той механической модели и решения ряда задач геомеханики,, учитывает пространственный характер распределения напряжений и перемещений в массяве возле неподкрепленной и подкрепленной выработки, реологические свойства и структурные особенности. породы (неоднородность, трещшовато-пористость, наличие трещин контакта), позволяет рассчитывать наряду с замкнутыми конструктивно или. технологически незамкнутые обделки переменной (в том числе, дискретной) жесткости.
-
Численная реализация математической модели и анализ полученных результатов позволили установить следующие закономерности механического поведения массива и обделки:
прямая пропорциояатьность компонентов напряженно-деформированного состояния возле выработки глубине ее заложения Но существенно нарушается при отношении U0 к среднему размеру поперечного сеченияDe, меньшем, чем 10; в этом случае широко применяющееся представление тяжелого (гравитационного) массива в виде невесомого, загруженного на бесконечности, не вполне правомерно;
влияние коэффициента Пуассона породы на напряженно-деформированное состояние массива.и системы "массив-обделка" имеет двойственный характер - значение "V, входящее в величину коэффициента бокового давления, является глобальным параметром, в то же время, величина *^ , фигурирующая в выражении, для константы ВДусхелишвили'аг . несущественно влияет на результаты расчетов ;
при поэтапном раскрытии поперечного сечения выработки по частям имеет место упруго-мгновенное перераспределение контурных напряжений, в результате чего в. отдельных точках эти напряжения на промежуточных этапах раскрытия выработки могут существенно (в 2 раза и более) превышать их итоговые значения, соответствующие окончательным размерам сечения выработки;
из-за концентрации напрядений впереди забоя и развития опорного давления.снимаемые напряжения при раскрытии очередной заходки на 10...35 превышают их уровень, соответствующий состоянию ненарушенного массива пород;
процесс сужения поперечного сечения выработки ої гравитационного или остаточного тектонического поля зарождается на. предзабойном участке - у лба глухого забоя величина этого сужения составляет примерно 50% от полного, реализующегося на большом (теоретически бесконечном) удалении от забоя;
влияние забоя на развитие напряженно-деформированного состояния массива вдоль выработки ощутимо сказывается на расстоянии, меньшем, чем СО,5...0fS)Doвпереди его, и на расстоянии, меньшем, чем (I,5..'.2)D„ - позади забоя;
при параллельной схеме работ по строительству подземного сооружения продвижение забоя является основным определяющим фактором, формирующим нагружение головного участка;обделки и включение его в совместную работу с массивом; вместе с тем, при последовательной схеме работ первопричиной контактного взаимодействия массива и обделки следует считать способность породы проявлять реологические свойства;
деформация многошарнирных обделок происходит в основном за счет взаимного поворота блоков в стыках, и в большинстве расчетов современных конструкций этого типа вполне приемлемо полагать блоки недеформируемыми;
- количество блоков в кольце ила своде многошарнирной обдел-
' ки несущественно влияет на характер ее напрякенно-деформпро-
ванного. состояния, поэтому приоритет в выборе этого количества следует отдавать технологическим соображениям.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием расчетных схем и исходных предпосылок, адекватно отракающих совместное напряаенно-деформированное состояние массива и обделки на различных этапах его развития;
строгими методами исследования на основе достижений теории упругости (вязкоупругости) и строительной механики;
широким использованием ЭВМ, тщательной проверкой и анализом полученных зависимостей, алгоритмов и численных результатов;
совпадением универсальных аналитических решений автора с рядом-аналогов, являющихся частными случаями'этих решений;
согласованностью результатов некоторых приближенных решении с. .результатами расчетов по- МКЭ;
удовлетворительным соответствием результатов расчетов по разработанным алгоритмам с данными натурных экспериментов на законченных строительством и эксплуатируемых объектах;
положительными результатами многолетнего - внедрения научных положений и рекомендаций диссертации а практику проектирования- и строительства подземных сооружений различного назначения.
Научная новизна работы
I. Предложен новый теоретический' подход и на его основе разработана расчетная методология, отличающаяся комплексностью и универсальностью, позволяющая оценивать напряженно-деформированное состояние массива и системы "массив-обделка" в произвольный момент времени любой стадии строительства и эксплуатации подземного сооружения в широком диапазоне природних, конструктивных и технологических параметров массива и обделки.
.2. Существенно новым в научных положениях работы являет
ся то, что сочетание продвижения"забоя при проходке и прояв
ления породой реологических свойств рассматривается как осно
вной фактор, определяющий развитие взаимодействия массива и
обделки,' формирующий ее нагружение и включающий ее в совмест
ную работу с массивом. :
3. Поставлены, решены и доведены до численных результатов новые задачи подземной геомеханики, важнейшими из которых следует считать:
не имеющую аналогов основную контактную, задачу для в общем случае незамкнутой обделки произвольного поперечного ,сет-чения и переменной жесткости, взаимодействующей с вязкоупру-гим массивом горных пород;
задачу 6 механических возмущениях вблизи:торца протяженной цилиндрической выработки в массиве пород.
', 4« Установлен ряд новых качественных и количественных закономерностей механического поведения массива и рбдёлки.
5.. Предложены автором и признаны в качестве изобретений
новые конструкции ответственных.и сложных подземных сооруже
ний — односводчатых станций.метрбполитена глубокого заложен
ния. '(.-.''
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования,., в формировании механической, а затем и .математической моделей взаимодействия массива и обделки, в разработке алгоритма расчета, практических рекомендаций и-формулировании, научных выводов; внедрение результатов диссертации в практику подземного строительства осуществлялось при личном-участии ее автора.
Практическая значимость. Разработанная методология позволяет рационально проектировать, несущие.конструкции подземных -сооружений и корректировать технологические схемы .их.строительства в широком диапазоне горно-геологических условий. Основные результаты работы представлены в виде детально проработанных алгоритмов и практических рекомендаций, что обеспечивает возможность их непосредственного применения в проектной практике.
Реализация работы. Практический выход диссертации - универсальный алгоритм.расчета обделок подземных сооружений пря-> мо использован при расчете, проектировании и оптимизации ряда объектов подземного строительства., К этим объектам относятся:
односводчатые станции Ленинградского метрополитена - "Площадь мужества", "Политехническая", "Обухово", "Черная речка"", "Пионерская", "Удельная";
гидротехнический тоннель Донского магистрального канала;
подземные винохранилища Комбината "Абрау-Дюрсо";
двухпутный Мысовый тоннель & 3 Байкало-Амурской магистрали;
киевские городские коллекторные тоннели глубокого:заложения;
перегонные тоннели Киевского метрополитена.
Суммарный экономический эф|>ект, подтвержденный^ установленном порядке по уже. сооруженным объектам, и приходящийся на долю автора диссертации превышает I миллион рублей. Этот эф-- . Фект получен в основном за счет снижения материалоемкости кон-
струквдй и.частично - за счет уменьшения трудозатрат.
Некоторые научные положения диссертации вошли в ведомственное нормативно-методическое издание "Рекомендации - по проектированию и строительству односводчатых станций в плотных.ус-тоёчивых глинах-типа протерозойских" (*»".; Изд.Ц!шйС,-1373/.
Апробация работы. Основные научные положения и.результаты диссертации были доложены и одобрены на I Всесоюзной научной конференции "Проблемы механики подземных"сооружений" (Ленинград, ЛГИ, 1978 г.), на Всесоюзной научно-технической'конференции "Повышение эффективности транспортного строительства и качества строящихся объектов" (Москва, ЦНИИС, 1979 г.), на 33-й (.1975 г.) и 45-й (1987 г.) научно-исследовательских конференциях МАДИ, на научном семинаре ЛГИ (1988 г.), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава КДДИ в 1975-1989 годах.
Публикация. Основные положения выполненных автором исследований изложены в 23 печатных работах, опубликованных в издательствах, включенных в списки, утвержденные ВАК СССР, в том числе, в 2 изобретениях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 269 страницах текста, 53 рисунков, 37 таблиц, списка литературы из 286 наименований и приложения.
