Геомеханическое обоснование конструкции обделки автодорожного тоннеля в Йемене

Актуальность работы Республика Йемен расположена в юго-западной части Аравийского полуострова. На севере и северо-востоке она граничит с Саудовской Аравией, на востоке — с Оманом. На западе омывается Красным морем, на юге — Аденским заливом (Индийский океан). Территория Йемена расположена в основном на плато, которое на севере и востоке переходит в пустыню Руб-аль-Хали. На западе вдоль берега Красного моря тянется узкая длинная равнинная полоса, отделяющая наиболее населенную и промышленно развитую гористую часть страны (Западно-Аравийское нагорье). Крупнейшие города, в числе которых Сана (столица, более 1 млн. чел.), Таиз (1 млн. чел.), Эль-Ходейда (700 тыс. чел.), Аден (500 тыс. чел.), расположены преимущественно на юго-западе в гористой части страны.

Железных дорог в стране нет, автомобильное сообщение городов осложнено гористым рельефом. Недалеко от столицы Сана расположена гора Эн-Наби-Шаиб высотой 3660 м. Тенденции развития народного хозяйства в свете урбанизации страны, развития промышленности и туризма выявляет необходимость строительства автодорожных тоннелей. Строительство тоннелей будет выполняться преимущественно з достаточно устойчивых скальных и полускальных метаморфизованных породах, что предопределяет буровзрывной способ строительства тоннелей, сводчатое сечение выработки с применением временной крепи и постоянной монолитной бетонной или железобетонной обделки.

Первый тоннель предполагается строить на трассе Таиз-Аден. Протяженность тоннеля составит, ориентировочно, 600−800 м, глубина заложения до 400 м. Поскольку автодороги имеют двухполосное движение, то и тоннель должен быть рассчитан на двухполосное движение (I категории). Для обеспечения безопасности движения и расположения вспомогательных служб параллельно основному тоннелю должен быть построен сервисный тоннель меньшего сечения. В представленной диссертации рассматриваются принципиальные технические решения для основного тоннеля.

В связи с изложенным, представленная диссертационная работа, направленная на научное обоснование рациональных конструкций тоннельных обделок в проектируемых первых автодорожных тоннелях Йемена является актуальной.

Целью работы является научное геомеханическое обоснование рациональных конструкций обделок тоннелей, в типичных для Йемена инженерно-геологических условиях, что позволит обеспечить прочность и требуемую несущую способность конструкций, и безопасность эксплуатации тоннелей в целом.

Идея работы заключается в установлении закономерностей изменения напряженного состояния обделки, взаимодействующей с массивом пород, окружающим тоннель, с учетом вероятных характеристик пород и параметров начального поля напряжений.

Методы исследования включают систематизацию, обобщение и анализ предшествующих исследований и опыта проектирования и строительства тоннелей, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния обделок, численный эксперимент с использованием компьютерных программ аналитического метода расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

В результате численного эксперимента (компьютерного моделирования) установлены закономерности формирования напряженного состояния обделки и распределения нормальных тангенциальных напряжений по периметру сечения обделки, в том числе — в критических сечениях, определяющих прочность обделки в целом, в характерных для инженерногеологических условий Йемена породах (песчаники, известняки и меловые отложения).

Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений в критических точках и критических радиальных сечениях обделки, а также — несущей способности обделки, от соотношения модулей деформации материала обделки (бетона) и окружающих пород, коэффициента бокового давления в нетронутом массиве пород и коэффициента разгрузки, учитывающего технологию строительства тоннеля.

Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечивается использованием компьютерных программ расчета обделок тоннелей, основанных на строгих аналитических решениях соответствующих задач теории упругости, полнотой учета комплекса влияющих факторов, качественным соответствием результатов расчета с данными, полученными другими авторами.

Научное значение диссертационной работы заключается в установлении закономерностей формирования напряженного состояния обделки тоннеля, в зависимости от соотношения модулей деформации пород и материала обделки, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве.

Практическое значение работы состоит в обосновании исходных данных для расчета обделок тоннелей — компонентов начального тектонического поля напряжений, научном обосновании рациональных конструкций бетонной обделки тоннеля в типичных для Йемена инженерно-геологических условиях.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований будут использованы в процессе проектирования и строительства первого тоннеля в Йемене.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава.

Тульского государственного университета (г. Тула, 2003;2005 гг.), на Международном симпозиуме Тоннельной ассоциации России (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано две научных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка используемой литературы из 73 наименований, таблиц приложений на 30 стр., включает 23 рисунка, 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании установленных закономерностей формирования напряженного состояния обделок в процессе взаимодействия с массивом скальных пород в тектоническом поле начальных напряжений, в зависимости от коэффициента бокового давления и соотношения модулей деформации материала обделки и пород, изложены научно обоснованные технические решения по конструкции обделки автодорожных тоннелей в Республике Йемен, обеспечивающие прочность обделок и безаварийную эксплуатацию тоннелей, что имеет существенное значение для экономики Йемена.

Обделки тоннеля испытывают нагрузки, обусловленные начальным полем напряжений в массиве пород, вызванным собственным весом пород и тектоническими силами, и возможные сейсмические воздействия землетрясений. Расчет обделок тоннеля выполняется аналитическими методами механики подземных сооружений (методы механики сплошной среды) с использованием схем контактного взаимодействия обделок с окружающим массивом пород.

Сведений о величине и направлении главных начальных напряжений в массиве горных пород в районе строительства тоннеля не имеется, поэтому расчетные характеристики начального поля напряжений приняты на основании исследований, опубликованных в научных изданиях. Результаты геологических описаний в этом регионе могут быть использованы для оценки характеристик начального поля напряжений в районе строительства тоннеля.

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы: — массив пород сложен прочными вулканогенными и осадочными породами и подвержен действию тектонических сил;

— величина максимальных сжимающих напряжений в массиве не может быть чрезмерно велика, так как массив находится вблизи грабенов Красного моря и Аденского залива в юго-западной части Аравийской плиты.

— сейсмичность территории строительства тоннеля составляет не выше VI баллов по принятой в России шкале MSK-64, поэтому специальные меры сейсмостойкости тоннеля не требуются.

Для анализа напряженного состояния обделки тоннеля в различных инженерно-геологических условиях по трассе выполнен вычислительный (компьютерный) эксперимент. Моделирование напрял^енного состояния обделки тоннеля производилось с применением компьютерной программы FOK1 расчета обделки тоннеля произвольного сечения с одной осью симметрии сечения. Автор метода расчета и алгоритма проф. Н. Н. Фотиева. Метод расчета — метод механики подземных сооружений (анализ контактного взаимодействия обделки с окружающим массивом пород) — основан на строгом решении соответствующей задачи теории упругости.

Установлен характер напряженного состояния обделки тоннеля. Установлены критические сечения (9) в основаниях боковых стен тоннеля, в которых в первую очередь напряжения могут достигнуть расчетного сопротивления и предела прочности материала (бетона). В этих сечениях обделка испытывает только сжимающие напряжения. При уменьшении коэффициента бокового давления в массиве до X < 0,34 в обделке вершине свода тоннеля возможно появление растягивающих напряжений. Установлены отношения модулей деформации пород и материала обделки (бетона) и коэффициентов бокового давления пород в массиве, при которых возможно появление растягивающих напряжений в средних сечениях плоского лотка тоннеля. Однако эти сечения не являются критическими для обделки тоннеля.

Установлены зависимости нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях от глубины, удельного веса пород, коэффициента бокового давления в массиве, модулей деформации пород и материала обделки в поперечном сечении тоннеля и от коэффициента разгрузки, учитывающего отставание обделки от забоя.

Получены расчетные корреляционные формулы для определения нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях обделки для экспресс оценки прочности и несущей способности обделки в конкретных условиях.

В работе обоснована конструкция обделки тоннеля, которая на всем протяжении тоннеля, во всех породах и на всех предполагаемых глубинах, является монолитной бетонной (за исключением, возможно, в центральной части плоского лотка при л < 0,6).

Основные научные результаты, выводы н рекомендации работы заключаются в следующем:

1. В результате численного эксперимента (компьютерного моделирования) установлены закономерности формирования напряженного состояния обделки и распределения нормальных тангенциальных напряжении по периметру сечения обделки, в том числе — в критических сечениях, в характерных для Йемена скальных породах в тектоническом поле начальных напряжений в массиве.

2. Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений в критических сечениях от соотношения модулей деформации пород и материала обделки, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве, коэффициента разгрузки, учитывающего технологию строительства тоннеля.