Введение к работе
Актуальность работы.
Актуальность диссертационной работы обусловлена увеличением объемов применения в отечественной практике строительства транспортных тоннелей набрызгбетона в качестве временной крепи и постоянной конструкции (обделки).
При этом возрастающие темпы транспортного строительства, требующие высоких скоростей проходки тоннелей и оптимального расходования трудовых и финансовых средств, вызывают потребность в разработке эффективных конструкций набрызгбетонных крепей (обделок), параметры которых (толщина, армирование), обеспечивая необходимую несущую способность крепи, являлись бы оптимальными. Добиться эффективных значений конструктивных параметров крепи возможно при учете в расчетах с большей точностью и достоверностью технологических особенностей сооружения тоннелей, влияющих на распределение и значения расчетных внутренних усилий в крепи.
Для решения этой задачи и разработки на его основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона возникла необходимость проведения научных исследований.
Цель и задачи диссертации.
Цель диссертационной работы заключается в создании методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ существующих методов расчета набрызгбетонной крепи;
выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки, используя метод конечных элементов;
провести экспериментальные исследования в натурных условиях деформированного состояния системы «крепь – массив»;
выполнить численные расчеты напряженно-деформированного состояния системы «крепь – массив» для объекта экспериментальных исследований, используя установленные в ходе теоретических исследований закономерности в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны;
произвести на основании сравнительного анализа данных экспериментальных исследований и соответствующих численных расчетов оценку достоверности результатов теоретических исследований;
разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.
Методика исследований.
В основе методики заложен комплексный подход, включающий проведение теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические исследования выполнены с использованием пространственных и плоских численных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel», реализующем метод конечных элементов.
Экспериментальные исследования проведены в условиях строящегося станционного тоннеля односводчатой станции глубокого заложения «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена с привлечением специалистов филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при участии автора диссертации. Маркшейдерские измерения на объекте исследований осуществлялись силами ООО «Метрострой-ПТС» (г.Екатеринбург).
При обработке результатов теоретических и натурных экспериментов использованы методы математической статистики.
Научная новизна работы.
разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь – массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется в скальных устойчивых грунтах горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью;
проведены теоретические исследования методом математического моделирования, по результатам которых установлены степень и характер влияния основных механических характеристик грунта, размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в призабойной зоне тоннеля;
на основании результатов теоретических исследований выявлено и подтверждено данными экспериментальных исследований, что при аналогичных параметрах сооружения тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрызгбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации – напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («ЛНРМ»);
по результатам теоретических исследований выявлена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;
разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.
Практическая ценность работы.
установлена функциональная зависимость имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве на диаграмме равновесных состояний «деформации – напряжения» (ЛНРМ);
определена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;
разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.
Достоверность полученных результатов обусловливается:
строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;
учетом требований действующих нормативных документов;
сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтвержденной сравнительными расчетами с данными натурных наблюдений.
Реализация результатов.
Результаты работы нашли применение:
в учебном процессе кафедры мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);
в филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной набрызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля №1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от р.Агура до ул.Земляничная в г.Сочи.
Апробация работы.
Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:
на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) №№ 67, 68, проходивших в 2009 и 2010 г.г.;
на заседании Секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2010 г.
На защиту выносятся:
установленные в ходе теоретических исследований закономерности изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива в неподкрепленной призабойной зоне в зависимости от различных значений параметров сооружения тоннеля;
выявленная в ходе теоретических исследований зависимость имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве на диаграмме равновесных состояний «деформации – напряжения» (ЛНРМ);
результаты экспериментальных исследований деформированного состояния системы «крепь – массив», проведенных в натурных условиях;
результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния системы «крепь – массив», выполненных для объекта экспериментальных исследований, используя установленные в ходе теоретических исследований закономерности в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны;
основные положения разработанной методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ в профильных изданиях, в том числе одна статья в журнале, находящемся в списке ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы составляет 120 страниц, включая 43 иллюстрации и 8 таблиц. Список литературы содержит 118 наименований.
Автор выражает благодарность коллективу лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС за помощь, оказанную при проведении экспериментальных исследований.
