Рациональные конструктивно-технологические параметры тоннельных обделок с наружными ребрами жесткости

Рост сети автомобильных и железных дорог, а также увеличение объемов строительства тоннелей и метрополитенов в условиях урбанизации и роста крупных городов требуют наращивания научно-технического потенциала в области подземного строительства, как наиболее перспективного направления решения транспортной проблемы.

За последние двадцать лет на территории бывшего СССР были построены Рокский (3.6 км), Рикотский (1.76 км), Гагринский (1.25 и 0.84 км) и др. автодорожные тоннели, а также Лысогорский (Зкм), Ид-жеванский (2.95 км), Байкальский (6.7 км), Кодарский (2км) железнодорожные тоннели.

В настоящее время строятся и эксплуатируются метрополитены в одиннадцати городах России (Москва, С Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Уфа, Новосибирск, Самара, Нижний Новгород, Красноярск, Омск) и в восьми городах СНГ (Киев, Харьков, Днепропетровск, Минск, Тбилиси, Баку, Ереван, Ташкент) /20/. Во многих крупных городах построены и строятся автотранспортные, пешеходные и коллекторные тоннели, подземные автостоянки и гаражи.

В связи с увеличением объемов тоннельного строительства необходимо дальнейшее развитие и совершенствование конструкций тоннельных обделок, методов их расчета и технологии возведения.

К одному из прогрессивных направлений в области совершенствования обделок транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом, следует отнести применение облегченных тонкостенных конструкций из набрызг-бетона.

Практика отечественного и зарубежного строительства показывает целесообразность применения таких обделок, усиленных в случае необходимости дополнительными элементами в виде стальных арок, анкеров, ребер жесткости и т. д. Дальнейшее применение облегченных обделок во многом связано с расширением масштабов использования концепции нового австрийского тоннельного метода (НАТМ) /21/.

Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия системы «конструкция — породный массив», где в качестве конструкции рассматриваются облегченные обделки из набрызг-бетона с усиливающими элементами в виде наружных ребер жесткости, бетонируемых в прорезях грунтового массива /81/. Конструкция такой обделки защищена авторским свидетельством № 1 191 590 «Тоннельная обделка», опубликованным 15 ноября 1985 г.

Ребра призваны придать обделке дополнительную несущую способность и жесткость, закрепляя часть грунтового массива и улучшая совместную работу породы с обделкой.

Важным достоинством такой обделки является ее высокая адаптивность к изменяющимся горно-геологическим условиям за счет изменения параметров ребер: шага, высоты, толщины и места их расположения. Так, поперечные ребра могут размещаться по своду и стенам выработки или только в сводовой части с шагом, кратным величине заходки для лучшей увязки операций горнопроходческого цикла при поперечных ребрах.

Применение обделок с наружными ребрами жесткости позволяет сократить размеры поперечного сечения выработки и уменьшить толщину оболочки, несущая способность которой зависит от геометрических параметров ребер. При этом снижается материалоемкость конструкции и трудоемкость ее возведения, что приводит к повышению темпов и снижению стоимости строительства.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется увеличением масштабов тоннельного строительства и необходимостью создания нового поколения рациональных и экономичных конструкций тоннельных обделок соответствующих современным технологиям. К ним, в частности, можно отнести обделки облегченного типа с наружными ребрами жесткости, конструктивные особенности которых обуславливают необходимость рассматривать систему «обделка — окружающий грунтовый массив» в объемной постановке, что до настоящего времени не проводилось.

Цель и задачи диссертации. Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния обделки с наружными ребрами жесткости, определение ее рациональных конструктивных параметров шага, высоты, толщины ребер, зоны расположения, прочностно-деформативных свойств окружающего породного массива и технология их возведения.

Исследования, выполненные в рамках настоящей диссертационной работы, направлены на решение следующих основных задач:

1. Разработка математической модели и методики пространственного расчета ребристых обделок с учетом этапов строительства.

2. Определение рациональных параметров ребер жесткости (длины, ширины, шага и зоны их расположения) с учетом деформационных характеристик окружающего массива, материалов обделки и ребер, а также характера статических нагрузок и технологической последовательности производства работ.

3. Определение области рационального использования ребристых обделок.

4. Разработка рекомендаций конструктивно-технологического характера.

5. Разработка инженерной методики расчета.

Методика исследований. Учитывая сложность и отсутствие результатов ранее проведенных исследований, для решения поставленных задач был применен комплексный подход, включающий проведение: анализа существующих методов расчета на основе строительной механики и механики сплошных средсопоставление результатов расчета по МКЭ с традиционными методамиразработку пространственной конечно-элементной моделичисленные исследования взаимодействия обделки с различными параметрами ребер и их математическую обработку, а также оценку влияния прочно-стно-деформативных характеристик окружающего породного массива на напряженно-деформированное состояние обделки на стадии строительства и эксплуатации.

Научная новизна работы заключается:

• в исследовании пространственной работы обделки нового типа с наружными ребрами жесткости во взаимодействии с окружающим породным массивом;

• в разработке методики определения рациональных параметров ребер с учетом прочностно-деформативных характеристик породного массива и технологии строительства;

• в проведении многофакторного регрессионного анализа и определении рациональных соотношений между параметрами обделки.

Практическая ценность работы заключается в установлении области применения ребристых обделокв разработке рекомендаций по назначению конструктивных параметров обделок и технологии их возведения, а также в создании методики расчета ребристых конструкций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета по предложенной объемной конечно-элементной модели с результатами традицыонных методов расчета (строительная механика и механика сплошных сред).

Реализация результатов. Результаты работы нашли применение в практике проектирования отдела искусственных сооружений НИИМК, в СП «Гормост» для оценки несущей способности существующих сооружений и в учебном процессе кафедры МиТТ МАДИ (ТУ).

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Московского автомобильно-дорожного института (Технического университета) /1997;1998 г./, а также на научно-техническом совете НИЦ-ТМ АСГЦНИИС" /1999 г./.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех научных статьях.

Диссертация включает Введение, 4 главы, основные результаты и выводы, список использованной литературы (104 наименования).

Общие выводы.

В диссертационной работе дано решение важной задачи по установлению закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния тоннельных обделок с наружными ребрами жесткости во взаимодействии с окружающим породным массивом с учетом влияния геометрических характеристик конструкции, прочностно-деформативных свойств пород и технологической последовательности сооружения тоннеля.

Результаты исследований явились основанием для практических рекомендаций конструктивно-технологического и расчетного характера, направленных на проектирование рациональной и экономичной конструкции тоннельной обделки.

Наиболее важные научные и практические результаты диссертации сводятся к следующему.

1. Выявлена эффективность облегченных конструкций из на-брызг-бетона с поперечными наружными ребрами жесткости, забетонированными в прорезях породного массива, и установлена целесообразная область их применения: в породах средней крепости и устойчивости. К основным достоинствам ребристой обделки относится высокая адаптивность к изменяющимся горно-геологическим условиям, высокая несущая способность и жесткость. Применение таких обделок взамен массивных позволяет сократить площадь поперечного сечения тоннеля на 8−10%, расход монолитного бетона на 20−25%, что приводит к сокращению общей стоимости сооружения одного погонного метра тоннеля на 10−15%.

2. Установлено, что для исследования работы ребристых тоннельных обделок наиболее целесообразно использовать расчетную схему механики сплошной среды, реализованную на основе метода конечных элементов, что дает возможность учесть совместную работу конструкции с породным массивом на различных этапах ее возведения при широком варьировании геометрических и конструктивных параметров (шага, высоты и конфигурации ребер жесткости, толщины оболочки), прочностно-деформативных характеристик породы, а также технологических факторов.

3. При исследовании ребристых обделок в диссертационной работе был использован программный комплекс «ВАвУв», реализующий метод конечных элементов и адаптированный для решения геомеханических задач. Разработана объемная конечно-элементная модель, в которой обделка имитируется плоскими конечными элементами оболочечного типа, а породный массив — линейно-деформируемой средой, что дает наилучшую сходимость с результатами теоретических методов расчета и позволяет учитывать влияние изменения параметров ребер на работу конструкции.

Эффективность и целесообразность использования данного программного комплекса и правильность выбора расчетной модели подтверждены проведением серии тестовых расчетов.

4. Расчетно-теоретические исследования работы ребристых обделок во взаимодействии с окружающим породным массивом на статические воздействия методом математического моделирования, позволили установить общие закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкции на стадиях эксплуатации и строительства.

Расчет ребристой обделки в первой серии исследований произведен в сорока восьми вариантах. Для каждого расчета получены значения нормальных напряжений по внутренней фибре замкового и радиального сечений между ребрами, а также значения приведенного объема материала обделки на один метр тоннеля.

5. На основе проведенного пофакторного анализа полученных результатов установлено, что наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние ребристой обделки на стадии эксплуатации оказывают толщина оболочки, высота и шаг ребер жесткости, а также прочностно-деформативные свойства породы. Изменение таких параметров как толщина ребер и их конфигурация на статическую работу обделки влияют несущественно.

Так, при использовании ребристой конструкции тоннельной обделки, взамен эквивалентной «гладкой» возможно уменьшить толщину оболочки на 25−30%- при высоте ребра Ьр/ар=0.166 значения сжимающих напряжений в замковом сечении увеличиваются на 40% и более в зависимости от толщины оболочки, по сравнению с гладкой обделкойувеличение шага ребер в два раза приводит к уменьшению сжимающих напряжений в замковом сечении на 27−32%. Влияние шага ребер на значение напряжений в радиальном сечении незначительно и находится в пределах 5%;

В процессе строительства расстояние от края возводимой обделки до лба забоя должно быть минимальным. При этом, в случае наличия ребра по краю обделки напряжения в замковом и прилегающих нему сечениях уменьшаются на 10−20%, а также исключается концентрация напряжений в зоне сопряжения первого ребра и оболочки обделки.

6. Поскольку основные параметры ребер жесткости при неизменной толщине оболочки по-разному влияют на работу обделки исследуемые факторы были рассмотрены совместно с использованием регрессионного анализа и методов математической статистики. Это позволило установить рациональные параметры ребристых обделок при их работе во взаимодействии с окружающим породным массивом и разработать методику их расчета на статические нагрузки.

При назначении шага и высоты ребер жесткости необходимо исходить из минимальных технологических и конструктивных ограничений, а толщину оболочки подсчитывать по формуле:

126.111 -103.56а -5291.3749-л/О.

5 =-Р-Ро 2*5621.8.

Установлено что, рациональное отношение толщины оболочки к шагу и высоте ребра составляет 50: ар :Ир = 1:0.25:1.6, при этом соотношении достигается минимум используемого материала.

7. По результатам теоретических исследований разработаны рекомендации конструктивно-технологического характера, направленные на повышение эффективности технологии возведения ребристых обделок. Предложена технологическая схема сооружения тоннелей, предусматривающая определенную последовательность раскрытия выработки и возведения обделки с опережающим бетонированием ребер жесткости.

8. Разработана методика ускоренного расчета ребристых обделок на статические воздействия на стадиях строительства и эксплуатации, которая предусматривает: расчет гладкой обделки МКЭ или другими более простыми инженерными методами, определение усилий и напряжений в обделкеназначение предполагаемых характеристик ребер в соответствии с п.п. 6- определение усилий в сечениях ребристой обделки с учетом поправочных коэффициентов.

В результате проведенных исследований научно обоснована целесообразность и эффективность применения обделок с наружными ребрами жесткости, установлена область применения и рациональные конструктивно-технологическте параметрами. Таким образом, созданы предпосылки для их внедрения в практику отечественного тоннелестроения.