Геомеханическое обоснование конструкции обделки автодорожного тоннеля в Йемене тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Дахан Абдолнур Абдо Дабван

• Дахан Абдолнур Абдо Дабван
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дахан Абдолнур Абдо Дабван

Введение.

1. Анализ состояния вопроса.

1.1. Инженерно-геологические условия строительства тоннелей в Йемене.

1.1.1. Основные черты геологического строения Йемена

1.2. Механические свойства массива горных пород

1.3. Современные методы проектирования и расчета обделок

1.3.1. Ново-Австрийский метод строительства тоннелей

1.3.2. Численное моделирование.

1.3.3. Аналитические метолы расчета. Механика пооземных сооруэ/сений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Дахан Абдолнур Абдо Дабван

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.

62

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дахан Абдолнур Абдо Дабван, 2005 год

1. Arioglu, Е. Optimum support of development roadways. Geomechanical Criteria for Underground Coal Mines Design: ffiSM. Katowice: Central Mining 1.stitute. 1995.-pp. 185-240.

2. Barton N. Characterizing rock masses to improve excavation design. Proc.IV Int. Cong. I AEG, 1982, India, v. IX New Delhi.

3. Barton N. Geotechnical design / Word tunneling focus. Word tunneling and subsurface excavation. London. 1991.

4. Bieniavski Z.T. The Geoniechanics Classification in Rock Engineering Applications. Proc. IV ISRM, v. 2, Montreux, 1979, pp.41-48.

5. Bulychev N.S., Fotieva N.N., Fowell R. Stress-strain state of tunnel lining and surrounding rock mass in vicinity of tunnel face. International Symposium & Exhibition: "Underground Construction 2001", 18-20 Sept. London: Brintex Ltd., pp. 439-448.

6. Eiby G.A. Earthquakes. N. Zeland: Heineman, 1978.

7. Ейби Дж.А. Землетрясения. Пер. с англ. М.: Недра, 19S2. - 264 с.

8. Fenner, R. 1938. Untersuchungen zur Erkenntnis des Gebirgsdruckes. Gluckauf: 32:681-695, 33:705-715.

9. Fotieva N. Calculation of shotcrete with surface irregularities taken. Proc. Of the 8th Plenary Scientific Session of IBSM / World Mining Congress / Essen,22.24 June 1983 (A. Kidybinski & M. Kwasniewski eds.)- Rotterdam: A.A. Balkema, 1983. P. 159-164.

10. Fotieva N.N., Sammal A.S. Design of tunnel lining being constructed in soft watered ground. Proc. Of the Int. Symposium on Underground Construction in Soft Ground. New Dely, India, 3 January 1994. Rotterdam: A.A. Balkema, 1995. - P.209-212.

11. Global patterns of tectonic stress nature M.L. Zoback, M.D. Zoback, J. Adams//Nature. 1989. - V.341.-No 6240.-P. 291-298.

12. Hoek E., Kaiser P.K., Bavvden W.F. Support of underground excavations in hard rock. Rottrdam: Balkema, 1997.' 215 p.

13. Labasse, H. Les presions de terrains autour des puits. Revue Universelle des Mines: 5(3). 1949.

14. Mohr, F. Gebirgsdruck und Ausbau. Gluckauf. 1952. Bd 88, 27/28: 675-683.

15. Muller, L. Removing misconceptions on the New Austrian Tunnelling method. Tunnel & Tunnelling. Special Issue: 1990. pp. 15-18.

16. Stacey T.R., Page C.N. Practical handbook for underground rock mechanics. Clausthal-Zellerfeld: Trans Tech Publication, 1986. 144 p.

17. Terzaghi, K. Theoretical soil mechanics. New York: John Willey. 1943.

18. WG 2, ITA 2000. Guidelines for the design of shield tunnel lining. Tunnelling and Underground Space Technology. Vol 15, 3:303-331.04

19. Бок X. Классификация скальных массивов. В кн. "Введение в механику скальных пород". -М.: Мир, 1983 - С. 159-183.

20. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. - 270 с.

21. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов -М.: Недра, 1982. 270 с.

22. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1994. - 382 с.

23. Булычев Н.С., Дахан Абдолнур Абдо Дабван. Первый автодорожный тоннель з Йемене /' Материалы Международного симпозиума «Россий

24. Ш ское и мировое тоннелестроение взгляд в будущее» - М.: Тоннельнаяассоциация России, 2005.

25. Булычев Н.С., Дахан Абдолнур Абдо Дабван, К.Г. Дерикафтанова. Перспектива строительства и конструктивные решения обделок автодорожных тоннелей в Йемене / Подземное пространство мира, 2005, № 1.

26. Булычев Н.С., Сиавоши М.И. Обоснование исходных данных для проектирования и расчета обделок тоннелей в Иране // Метро и тоннели, 2003.1. С. 23-27.

27. Варга А.А. Инженерно-тектонический анализ скальных массивов. М.: Недра. 1988.

28. Варга А.А. О применении инженерно-геологических аналогов для определения геомеханических характеристик скального массива // Сб. научных трудов Гидропроекта. Вып. 106. М.: 1986.

29. Варга А.А. Эмпирические классификации скальных массивов // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, № 2, 1995. -С. 27-44.

30. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок / Г.А. Крупенников, Н.С. Булычев, A.M. Козел, Н.А. Филатов. -М.: Недра, 1966.-314 с.

31. Джегер Ч. Механика горных пород и инженерные сооружения. М.: Мир, 1975.

32. Дорман Н.Я. Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.: «ТИМР», 2000. - 307 с.

33. Ержанов Ж.С. Конструирование и расчет набрызг-бетонной крепи. М.: Недра, -1971.

34. Заславский Ю.З., Мостков.В.М. Крепление подземных сооружений. -М.: Недра, -1979.

35. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей: ВСН 193-81. М.:ВПТИтрансстрой. 1982.-68 с.

36. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей. ВСН 193-81 / Минтрансстрой // И.Я. Дорман, Н.Н. Фотиева, Н.С. Булычев, А.В. Чернышев, В.И. Медейко и др. М.: ВПТИтрансстрой, 1982. - 68 с.

37. Комплексная система исследований характеристик скальных массивов в Гидротехническом строительстве. П-874-89. Гидропроект.

38. Марков Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива. Л.: Наука, 1977. - 213 с.43,44