Геомеханическое обоснование метода расчета стальных футляров для трубопроводов при технологии микротоннелирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Ковнат-Лернер, Виктор Викторович

• Ковнат-Лернер, Виктор Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ковнат-Лернер, Виктор Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Анализ существующих конструкций и технологий сооружения стальных футляров.

1.2 Анализ горно-геологических условий на объектах сооружения стальных футляров в г. Москве по технологии микротоннелирования.

1.3 Анализ существующих методов расчета стальных футляров.

1.4 Постановка задач диссертационных исследований.

2 ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ СТАЛЬНЫХ ФУТЛЯРОВ.

2.1 Расчетные схемы определения контактных напряжений на границе стальных футляров с грунтовым массивом.

2.2 Анализ напряжений в стальных футлярах.

2.3. Анализ вертикальных смещений в стальных футлярах.

2.4 Оценка влияния деформируемости окружающего грунтового массива.

2.5 Построение расчетных выражений для численного анализа напряженно-деформированного состояния стальных футляров.

2.6 Численный анализ напряженно-деформированного состояния стальных футляров.

3 АНАЛИЗ НАГРУЗОК И ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СТАЛЬНЫЕ ФУТЛЯРЫ

3.1 Классификация нагрузок и воздействий на стальные футляры.

3.2 Нагрузка от горного давления.

3.3 Нагрузка от транспорта на земной поверхности.

3.4 Нагрузка от воздействия грунтовых вод.

3.5 Нагрузка от собственного веса стального футляра и наполнителя.

3.6 Монтажные нагрузки от воздействия домкратных установок при сооружении стальных футляров по технологии микротоннелирования.

4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ СТАЛЬНЫХ ФУТЛЯРОВ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРОТОННЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Рекомендации по выбору расчетных предельных состояний стальных футляров.

4.2 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия их прочности

4.3 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия устойчивости формы поперечного сечения.

4.4 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия ограничения относительного укорочения вертикального диаметра поперечного сечения

4.5 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия ограничения сдвижений земной поверхности.

4.6 Пример расчета стальных футляров и внедрение в проектные решения 149 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обоснование метода расчета стальных футляров для трубопроводов при технологии микротоннелирования»

Развитие современного городского хозяйства невозможно без нормального функционирования основных жизнеобеспечивающих систем - инженерных коммуникаций различного назначения. В последние годы в Москве на фоне активного гражданского и промышленного строительства значительно возросла потребность в реконструкции старых и прокладке новых подземных водонесущих коммуникаций — трубопроводов воды, канализации, сточных вод.

Общая протяженность водонесущих коммуникаций в Москве составляет около 300000 километров, из них 25% нуждаются в замене. В соответствии с Постановлением Правительства Москвы «О развитии систем водоснабжения и канализации города Москвы на период до 2020 года» необходимо перекладывать и ремонтировать ежегодно около 300 км городских водопроводных сетей.

Распространенная в Москве практика подземной прокладки водонесущих коммуникаций предполагает: проходку выработки с применением современных бестраншейных технологий (микротоннелирование, горизонтальное шнековое бурение); крепление выработки секциями продавливаемых железобетонных или стальных труб (футляров); монтаж внутри труб одного или двух водонесущих трубопроводов; заполнение остального внутритруб-ного пространства цементно-песчаным раствором.

При реализации такой технологии, наиболее высокие темпы прокладки водонесущих коммуникаций, крайне необходимые для масштабного строительства в Москве и реконструкции устаревших трубопроводов, достигаются при использовании стальных футляров.' Использование стальных труб вместо железобетонных обеспечивает более высокую степень герметизации водонесущих коммуникаций в неустойчивых и обводненных грунтах, что особенно важно в городских условиях.

Необходимо подчеркнуть, что стальные футляры выполняют конструктивные функции обоймы и при качественном заполнении внутритрубного 4 пространства цементно-песчаным раствором гарантируют срок службы во-донесущих трубопроводов не менее 50 лет. По данным ООО «Институт «Ка-налстройпроект», одного из основных проектировщиков инженерных сетей в г. Москве, стальные футляры были использованы при проектировании строительства и реконструкции водонесущих коммуникаций общей протяженностью 4863 м - в 2006 г., 4161м - в 2007 г., 3555 м - в 2008 г.

При этом до настоящего времени отсутствует методика расчета стальных футляров для трубопроводов, сооружаемых по технологии микротонне-лирования, обеспечивающая проектирование безопасной' эксплуатации инженерных сетей в условиях плотной городской застройки, что определяет актуальность темы диссертационных исследований.

Цель диссертации - геомеханическое обоснование метода расчета стальных футляров для водонесущих трубопроводов, адекватно отражающего условия их нагружения и деформирования при использовании технологии микротоннелирования.

Основная идея — тонкостенные стальные футляры как обделка коммунальных тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования с нагнетанием глинистого раствора в строительный зазор, находятся в условиях нагружения и деформирования, принципиально отличных от условий нагружения и деформирования традиционной железобетонной обделки тоннелей, сооружаемых по технологии щитовой проходки, что определяет особые методы ее расчета.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1) Геомеханические процессы при продавливании стальных футляров развиваются без нарушения сплошности окружающего грунтового массива, в основном, по причине деформаций стальных футляров, т.е. в результате возникающих при этом смещений контура, горной выработки или в режиме взаимовлияющих деформаций, поэтому нагрузку от горного давления на конструкцию стальных футляров следует определять из решения контактной задачи в смещениях по расчетной схеме «снимаемой» с контура выработки нагрузки.

2) Наличие глинистого раствора в строительном зазоре снимает трение по боковой поверхности футляров, а следовательно, касательную составляющую нагрузки от горного давления, и поэтому стальные футляры воспринимают только радиальную составляющую нагрузки от горного давления; в этом смысле традиционная схема нагружения обделки тоннелей в виде равномерно распределенных вертикальной и горизонтальной нагрузок неприменима для расчета стальных футляров.

3) Стальные футляры, представляющие тонкостенную податливую конструкцию обделки тоннелей, в отличие от существующих подходов, должны рассчитываться из условия прочности и деформируемости, в том числе из условия ограничения деформаций земной поверхности. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- корректностью использования методов математического моделирования геомеханических процессов в грунтовом массиве;

- представительным объемом использованных для анализа проектных решений по сооружению стальных футляров в условиях плотной городской застройки по технологии микротоннелирования;

- применением нормативных рекомендаций для расчета прочности и деформируемости стальных футляров;

- положительными результатами использования разработанных рекомендаций в проекте реконструкции канализации микрорайона Богородское г. Москвы.

Научное значение диссертации заключается:

• в разработке научных и методических основ количественного прогнозирования геомеханических процессов в грунтовых массивах при микротоннелировании;

• в научном обосновании параметров стальных футляров для сооружения водонесущих коммуникаций и разработке метода их расчета.

Практическое назначение работы состоит в разработке методики расчета стальных футляров для водонесущих коммуникаций, сооружаемых по технологии микротоннелирования в условиях плотной городской застройки, отражающей особенности их нагружения и деформирования в грунтовом массиве.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика расчета стальных футляров реализована в проектных решениях ООО «Институт «Ка-налстройпроект» на объектах сооружения водонесущих коммуникаций в г.Москве.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2010 г.) и научных семинарах кафедры СПСиШ Московского государственного горного университета (2009 - 2010 гг.)

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в четырех научных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 12 рисунков, 33 таблицы, список использованной литературы из 66 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Ковнат-Лернер, Виктор Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по геомеханическому обоснованию метода расчета стальных футляров для трубопроводов, адекватно отражающего особенности их нагружения и деформирования при технологии микротоннелирования, что имеет существенное значение для эффективного и безопасного использования подземного пространства при строительстве инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки.

Основные научные и практические результаты работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что напряженно-деформированное состояние стальных футляров определяется характеристикой деформируемости, представляющей г отношение радиуса их поперечного сечения к толщине стенки —, и относиd тельной жесткостью окружающего грунтового массива, представляющей отЕ ношение модуля деформации грунта к модулю деформации стали —.

Е.

2. Сформулированы следующие рекомендации: стальные футляры г большого диаметра с характеристикой деформируемости —>40 следует проd ектировать с толщиной стенки более 10 мм предпочтительно в грунтах с модулем деформации Е2>20 МПа; стальные футляры малого диаметра с харакг теристикой деформируемости —<40 следует проектировать с толщиной d стенки более 8 мм и в грунтах с модулем деформации Е2>10 МПа.

3. Доказано, что высота «свода давления», определяющая основную эксплуатационную нагрузку на стальные футляры, нелинейно уменьшается при уменьшении их характеристики деформируемости — и увеличении d прочностных свойств перекрывающего грунтового массива.

4. Показано, что грунтовые воды, оказывающие взвешивающее воздействие на минеральный скелет перекрывающего грунтового массива и тем самым уменьшающие величину горного давления, следует учитывать при сборе нагрузки только в том случае, если известен их постоянный минимальный уровень; во всех остальных случаях нагрузку следует определять, не учитывая воздействия грунтовых вод.

5. Установлено, что продольная монтажная нагрузка на стальные футляры от домкратных установок соизмерима с величиной эксплуатационной поперечной нагрузки, в значительной степени зависит от диаметра стальных футляров и длины участка микротоннелирования и в меньшей степени от глубины их заложения.

6. Разработана методика проектирования стальных футляров, предусматривающая их расчет по предельным состояниям в результате: потери несущей способности, потери устойчивости формы поперечного сечения, появления недопустимого прогиба в шелыге, приводящего к предельному укорочению вертикального диаметра или к предельным сдвижениям земной поверхности.

7. Установлено, что рекомендуемый расчет незаполненных стальных футляров из условия появления недопустимого прогиба в шелыге, ограниченного предельными сдвижениями земной поверхности, является обязательным и может быть определяющим при выборе конструктивных параметров стальных футляров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ковнат-Лернер, Виктор Викторович, 2010 год

1. Справочник «Бесшахтные технологии в Росси»». М., НП «РОБТ», 2006.

2. Картозия Б.А., Шуплик М.Н., Федунец Б.Н. и др. Шахтное и подземное строительство, 2 т., издательство АГН, 1999.

3. Самойлов В.П. Управляемая бестраншейная прокладка поземных коммуникаций, состояние и российские перспективы. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. Научно-технический альманах, ТИМР, № 1,2000.

4. Бессолов П.П. Оценка мирового опыта в развитии технологий прокладки трубопроводов в России. Возможные пути прогресса на базе российского потенциала. ТИМР, РОБТ, № 1, 2000.

5. Романович К.А. Комплексный способ проходки одновременным продавли-ванием всех элементов. Строительная промышленность, № 7, 1958.

6. Васильев Н.В. Закрытая прокладка трубопроводов, Недра, 1964.

7. ПБ 03 428 - 02. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений.

8. Никитушкин Р.А. Горизонтальное шнековое бурение эффективный способ микротоннелирования. РОБТ, № 5, 2006

9. Самойлов В.П., Малицкий B.C. Новейшая японская техника щитовой проходки микротоннелирования. Империум Пресс, 2004.

10. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий. Пресс бюро, 2005

11. Scherle М. Rohlvoitrieb, Band 1, Berlin, 1977.

12. Kuhn G. Scheubler, SchlickH., Berlin, 1987.

13. Stein D., Mollers K., Bieleki R. Leitungstunnlbau, Berlin, 1998

14. Unclemole Tunneling method, Unclemole super Tunneling Method, Estimate calculation Materialas, Tokyo, Unclemole Association. April, 1994.

15. Цунекадзу Ф. Современный этап внедрения бестраншейных технологий в строительстве канализационных сетей Японии. Доклад на Международном конгрессе в Гамбурге. Подземное пространство мира. ТИМР, № 3-4, 1995.

16. Новые японские технологии бестраншейной прокладки трубопроводов. Сб. статей Международного конгресса по строительству трубопроводов. ТИМР, 1996.

17. Дерфель Н.Г. Проблемы микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, № 3, 1999.

18. Картузов Д.В., Шилин А.А. Усилие обделок коллекторных тоннелей с применением комплексных материалов. Подземное пространство мира. №34, 2003.

19. Адаме Э. Новшества в микротоннелировании. ТИМР, РОБТ, № 4, 2002.

20. Синицын А.Ю. Новые технологии в подземном строительстве. ТИМР, РОБТ, № 7, 2000.

21. Синицын А.Ю. Современные методы прокладки поземных коммуникаций ТИМР, РОБТ, № 8, 2001

22. Цытович Н.А. Механика грунтов. М., Стройиздат, 1940.

23. Герсеванов Н.М., Полынин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практические применения. М., Стройиздат, 1948.

24. Маслов Н.Н. Прикладная механика грунтов. М., Машстройиздат, 1949.

25. МГСН 2.07.01. Основания, фундаменты и подземные сооружения.

26. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). М., Стройиздат, 1985.

27. Справочник проектировщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М., Стройиздат, 1986.

28. Инструкция по инженерно-геологическим и геоэкологические изыскания в г. Москве. М., Москомархитектура, 2004.

29. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения.

30. ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация.

31. ГОСТ 30416-96 Грунты. Лабораторные испытания. Общения положение.

32. ГОСТ 30672-99 Грунты. Полевые испытания. Общие положения.

33. ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

34. ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

35. ГОСТ 20276-99 Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.

36. ГОСТ 20522-96 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний.

37. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. Стройиздат, 1969.

38. Клейн Г.К. Проблемы строительной механики подземных трубопроводов. «Строительная механика и расчет сооружений», № 4, 1967.

39. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический, книга 2, Стройиздат, 1973

40. СПиП 2.05.03-84* Мосты и трубы.

41. СПиП 2.04.12-86 Расчет на прочность стальных трубопроводов.

42. СПиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения.

43. СПиП 2.04.02-84* Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

44. СПиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы.

45. Одинцев В.Н., Викторов С.Д., Иофис М.А. разрушение массива горных пород и риск техногенных катастроф. Горный журнал, №4, 2005.

46. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М., Угле-техиздат, 1954.

47. Рёссер У. Геомеханическое обоснование нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Фонды МГГУ, 2004.

48. Емельянов JI.M. О расчете подземных трубопроводов по теории упругости. «Строительная механика и расчет сооружений», № 1, 1961.

49. Хлопцов В.Г., Баклашов И.В. О постановке задач по оценке устойчивости подземных горных выработок. МГГУ, ГИАБ, № 4, 2004.

50. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М., Недра, 1979.

51. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М., Недра, 1982.

52. Баклашов И.В., Штернагель И. Напряженно-деформированное состояние и разрушение обделки на криволинейных трассах микротоннелирования. ТИМР, Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций, № 1-2, 2005

53. Баклашов И.В., Корчак А.В., Ковнат-Лернер В.В. Определение напряжений и деформаций в стальных футлярах от воздействия эксплуатационных нагрузок в технологии продавливания. МГГУ, ГИАБ, №8, 2009.

54. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

55. Баклашов И.В., Малицкий B.C., Ковнат-Лернер В.В. Нагрузки и воздействия на стальные футляры в технологии микротоннелирования. МГГУ, ГИАБ, № 10, 2009.

56. Ковнат-Лернер В.В. Особенности расчета стальных футляров для водонесущих коммуникаций на воздействие грунтовых вод в технологии микро-тонннелирования. МГГУ, ГИАБ, № 2, 2010.

57. Тоннели и метрополитены/В.П. Волков, С.Н. Наумов, А.Н. Пирожкова, В.Г. Храпов. М., Недра, 1975.

58. TORU OSUMI. Расчет усилия продавливания труб. М., ТИМР, РОБТ, № 8, 2000.

59. МГСН 6.01-03. Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением микротоннелеческих комплексов и реконструкция трубопроводов с применением специального оборудования. М., 2004.

60. Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом. М., 2005.

61. Баклашов И.В., Антонов Г.П., Борисов В.Н. Проектирование зданий и сооружений горных предприятий. М., Недра, 1979.

62. Баклашов И.В., Борисов В.Н. Строительные конструкции зданий и сооружений горных предприятий. М. Недра, 1985.

63. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций. М., 2005.

64. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов, т. 2. М., Наука, 1965.

65. Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений. РД-07-166-97, М., 1997.

66. Ковнат-Лернер В.В. Рекомендации по расчету стальных футляров в технологии микротоннелирования. МГГУ, ГИАБ, №1, 2010.