Геомеханическое обоснование нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Уве Ресслер

• Уве Ресслер
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Уве Ресслер

Введение.

1. Анализ существующих исследований и постановка задач диссертации.

1.1. Краткий обзор и анализ технологии микротоннелирования.

1.2. Анализ конструктивных решений обделки тоннелей при использовании технологии микротоннелирования.

1.3. Анализ существующих методов расчета обделки тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования.

1.4. Постановка задач диссертационных исследований.

2. Геомеханическое обоснование эксплуатационных нагрузок на обделку тоннелей.

2.1. Классификация нагрузок на эксплуатационные и монтажные и оценка их значимости при разработке конструктивных решений обделки.

2.2. Расчетные схемы и методы определения нагрузок.

2.3. Нагрузки от горного давления.

2.4. Нагрузки от собственного веса обделки и давления наполнителя.

2.5. Особенности приложения и передачи на обделку колесных нагрузок на поверхности.

2.6. Совместный анализ, расчетные сочетания и рекомендуемые коэффициенты надежности эксплуатационных нагрузок.

3. Геомеханическое обоснование монтажных нагрузок на обделку тоннелей.

3.1. Расчетные схемы и методы определения монтажных нагрузок.

3.2. Усилия продавливания на прямолинейных участках трассы тоннеля.

3.3. Усилия продавливания на криволинейных участках трассы тоннеля.

3.4. Построение общей расчетной схемы определения монтажных нагрузок для трассы с произвольной траекторией.

3.5. Сравнительный количественный анализ монтажных нагрузок на различных участках трассы.

4. Практическая реализация в России разработанных рекомендаций по определению нагрузок и проектированию обделок тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования.

4.1. Определение напряжений и внутренних усилий в железобетонной обделке от воздействия эксплуатационных нагрузок с учетом горного давления по расчетной схеме "веса полного столба грунта до поверхности".

4.2. Определение напряжений и внутренних усилий в железобетонной обделке от воздействия эксплуатационных нагрузок с учетом нагрузок от горного давления по расчетной схеме "свода давления".

4.3. Расчетное обоснование поперечных арматурных каркасов железобетонных обделок, производимых в России.

4.4. Оценка экономической эффективности предлагаемых конструктивных решений железобетонной обделки для микротоннелирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обоснование нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования»

Как свидетельствует мировая практика, технология микротоннелирования, которая несомненно относится к наукоемким "высоким" технологиям подземного строительства, за тридцатилетний период существования значительно расширила область своего применения: от безлюдной технологии сооружения тоннелей малого диаметра до сооружения тоннелей большого диаметра с присутствием людей. Технология микротоннелирования - это сооружение тоннелей с помощью специальных дистанционно управляемых механизированных проходческих комплексов и специальной обделки тоннелей, задавливаемой вслед за подвиганием комплексов. На сегодняшний день технология микротоннелирования при постоянном совершенствовании конструкций проходческих комплексов и обделки тоннелей превратилась в наиболее универсальную технологию подземного строительства: возможность сооружения тоннелей любого диаметра и по любым породам, в том числе неустойчивым и водонасыщенным, в условиях плотной городской застройки с минимальными деформациями земной поверхности и размерами строительной площадки при полной механизации и автоматизации всех горно-строительных работ, что обеспечивает высокие темпы строительства с минимальной численностью обслуживающего персонала при минимальном воздействии на окружающую среду, наземные сооружения и объекты.

Следует заметить, что технология микротоннелирования зародилась с развитием технического прогресса как некая альтернативная технология специальным способам городского подземного строительства (водопонижение, кессонная проходка, замораживание, искусственное укрепление грунтового массива и др.) и на сегодняшний день в мировой практике практически вытеснила эти специальные способы.

Перечисленные достоинства технологии микротоннелирования проявляются только при определенном сочетании и взаимодействии двух основных проходческих операций - разработки забоя и крепления тоннеля, которые достигаются специальным конструктивным исполнением проходческого комплекса и обеспечивают устойчивость тоннеля, в том числе его герметичность, проходческого забоя, перекрывающего массива и земной поверхности. С позиций геомеханического состояния окружающего породного массива технология микротоннелирования ограничивает до безопасного (устойчивого) уровня развитие геомеханических процессов в массиве как на период сооружения, так и на период эксплуатации тоннеля. Необходимо обратить внимание на то, что специальные способы подземного строительства (замораживание, водопонижение, кессонная проходка) ограничивают нежелательное развитие геомеханических процессов только на период сооружения тоннеля.

Отличительная особенность микротоннелирования заключается в том, что обделка, передавая продольные усилия от домкратной установки на проходческую машину, активно участвует в разработке забоя. Таким образом, технологические задачи обделки гораздо шире, чем при традиционной щитовой проходке, когда элементы обделки монтируются под защитой проходческого щита. Однако с расширением технологических задач обделки при микротоннелировании увеличиваются и нагрузки на ее элементы: особенно возрастают продольные монтажные нагрузки на обделку, передаваемые домкратной установкой, и в конечном итоге становятся определяющими при увеличении длины проходки и кривизны трассы тоннеля по сравнению с поперечными эксплуатационными нагрузками. Более того, монтажные продольные нагрузки, зависящие от усилий трения по контакту боковой поверхности обделки и породного массива, определяются контактными напряжениями, т.е. определяются поперечными эксплуатационными нагрузками, в основном нагрузками от "горного давления", которые, как показывает практика, нелинейно зависят от глубины заложения тоннеля. Таким образом, расширение области применения технологии микротоннелирования, например по сравнению с щитовой проходкой, сопровождается ростом монтажных нагрузок на тоннельную обделку, которые находятся в сложной функциональной зависимости от эксплуатационных нагрузок. Отсюда, становится очевидным усиление требований к точности и корректности определения этих нагрузок, определяющих конструктивное исполнение обделки тоннелей.

Учитывая изложенное, следует констатировать, что наблюдаемый прогресс в конструировании проходческих механизированных комплексов, который в большей степени сводится к разработке новых конструктивных решений проходческих машин и их автоматизации и в меньшей - к разработке новых конструкций обделки, существенно опережает разработку нормативно-методической базы, регламентирующей определение нагрузок на элементы обделки. В основе таких нормативно-методических разработок должны лежать исследования геомеханических процессов в окружающем породном массиве, определяющие условия взаимодействия массива и обделки, т.е. в конечном итоге эксплуатационные и монтажные нагрузки на обделку. В этом смысле тема диссертационных исследований является актуальной.

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании и разработке методики определения нагрузок на обделку тоннелей при микротоннелировании как основы для последующего создания нормативной базы по конструированию обделки.

Идея работы заключается в том, что обделка в технологии микротоннелирования, предполагающей минимизацию строительного зазора и заполнение его бентонитовым раствором, деформируется в стесненных условиях совместно с окружающим породным массивом, что предопределяет использование расчетной схемы, построенной на конечно-элементной модели обделки и породного массива, адекватно отражающей технологические особенности микротоннелирования и геомеханические процессы формирования нагрузок на обделку.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Поскольку технологический регламент микротоннелирования изначально предусматривает практически безосадочную для земной поверхности проходку тоннелей, расчетная схема для определения нагрузки от горного давления должна быть построена из условия недопустимости геомеханических процессов образования в окружающем породном массиве области предельного равновесия.

2. Кривизна трассы, возникающая по непредусмотренным проектом горногеологическим условиям, может привести к такой же реализации реактивных геомеханических процессов и соответственно увеличению монтажных нагрузок на обделку, что и на криволинейной трассе, первоначально заложенной в проектных решениях.

3. Нагружение обделки в условиях взаимовлияющих деформаций с породным массивом и возникающих при этом на внешней поверхности обделки контактных нормальных и касательных напряжений приводит к увеличению сжимающих усилий в лотке и своде обделки, учет которых позволяет существенно снизить металлоемкость поперечных арматурных каркасов железобетонной обделки при сохранении ее прочности и трещиностойкости.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

- использованием апробированных методов геомеханики и механики подземных сооружений для определения нагрузок на обделку тоннелей;

- сходимостью полученных результатов с результатами других авторов и данными производственных наблюдений;

- положительными результатами внедрения расчетных рекомендаций в практику проектирования железобетонных обделок для микротоннелирования.

Методы исследований: анализ и обобщение существующего опыта проектирования и производства работ при микротоннелировании; теоретические исследования нагрузок на обделку методами геомеханики и механики подземных сооружений; расчеты и обоснование конструктивных решений арматурных каркасов железобетонных обделок.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах формирования нагрузок на обделку тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования.

Практическое значение работы заключается в разработке методики определения нагрузок на обделку тоннелей, сооружаемых с использованием технологии микротоннелирования.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы реализованы в виде расчетного обоснования конструктивных решений железобетонных труб диаметром 600, 800, 1000, 1200 и 1500 мм, выпускаемых ООО "Завод специальных железобетонных труб".

Апробация работы. Результаты работы обсуждались в сентябре 2003 и 2004гг. на семинарах Российского общества по внедрению бестраншейных технологий и на заседаниях кафедры ФГПиП МГГУ в 2003 и 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три работы.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит список литературы из 70 наименований, 14 рисунков и 37 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Уве Ресслер

Заключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по геомеханическому обоснованию нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования, имеющие существенное значение для повышения экономической эффективности городского подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Предложены расчетная схема и конечно-элементая модель совместного деформирования обделки и породного массива при микротоннелировании, адекватно отражающие особенности формирования нагрузок на обделку тоннелей.

2. Разработана методика определения эксплуатационных поперечных нагрузок от горного давления на обделку, учитывающая все компоненты главных напряжений при анализе развития в окружающем породном массиве области предельного равновесия.

3. Получены расчетные выражения и построены графические зависимости для определения коэффициента уменьшения нагрузки от горного давления на обделку при увеличении отношения глубины заложения кровли Н к диаметру выработки D для различных типов грунтов, из которых следует, что глубину заложения H=2D в первом приближении можно считать критической, меньше которой расчеты нагрузки следует производить, исходя из веса полного столба породного массива до земной поверхности.

4. Разработана методика определения монтажных продольных нагрузок на элементы обделки, учитывающая кривизну трассы микротоннелирования, заложенную в проектные решения или возникающую по технологическим причинам.

5. На криволинейных участках трассы продольные монтажные нагрузки имеют внецентренное приложение, т.е. характеризуются величиной нагрузки и эксцентриситетом ее приложения; причем, эксцентриситет увеличивается с уменьшением радиуса кривизны трассы, величины нагрузки и с увеличением длины элемента трубчатой обделки, ее диаметра и жесткости конструктивных материалов обделки.

6. Усилия продавливания, развиваемые домкратной установкой и формирующие монтажные нагрузки на элементы обделки, резко увеличиваются при входе в криволинейный участок трассы и выходе из него; при этом, увеличение усилий продавливания тем больше, чем ближе криволинейный участок трассы к домкратной установке.

7. Реализация расчетных рекомендаций по определению нагрузок на обделку тоннелей при микротоннелировании, как показывают результаты их внедрения в практику проектирования железобетонных обделок, производимых в России, позволяет разработать более рациональную конструкцию обделки как в отношении ее последующей безаварийной эксплуатации, так и в отношении материалоемкости, т.е. стоимости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Уве Ресслер, 2004 год

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

2. Самойлов В.П. Управляемая бестраншейная прокладка подземных коммуникаций: состояние и российские перспективы. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. Научно-технический альманах, ТИМР, 2002, №1.

3. Бессолов П.П. Развитие отдельных технологий открытой прокладки трубопроводов на базе отечественного потенциала России. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. Научно-технический альманах, ТИМР, 2000, №1.

4. Романович К.А. Комплексный способ проходки одновременным продавливанием всех элементов. Строительная промышленность, 1958, №7.

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

6. Scherle М. Rohlvortrieb, Band 1, Berlin, 1977.

7. Kuhn G, Scheuble L., Schlick H., Berlin, 1987.

8. Stein.D., Mollers.K., Bieleki R., Leitungstunnelbau, Berlin, 1998.

9. Кюн Г., Шойбле Л., Шлик X. Закрытая прокладка непроходных трубопроводов. Стройиздат, 1993, №5.

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

11. Цунекадзу Ф. Современный этап внедрения бестраншейных технологий в строительстве канализационных сетей Японии. Доклад на международном конгрессе в Гамбурге. Подземное пространство мира, ТИМР, 1995, N23-4.

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

13. Власов С.Н. Новые технологии для бестраншейной прокладки коммуникаций. Механизация строительства, 1993, №10.

14. Дерфель И.Г. Проблемы микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, 1999, №3.

15. Красков В.А. Технические средства и технологии для бестраншейной прокладки коммуникаций. ТИМР, РОБТ, 1999, №5.

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

17. Развитие рынка микротоннелирования. No-dig International, 2002, №2.

18. Lazzarini U. Микротоннелирование по криволинейной трассе. ТИМР, РОБТ, 1999, №8.

19. Самойлов В.П., Мишуков А.Н., Власов С.Н. Опыт прокладки канализационных трубопроводов с применением оборудования фирмы "Херренкнехт". ТИМР, 1995.

20. Бессолов П.П. Информация о работе комплекса AVN-1200 в С.-Петербурге. ТИМР, РОБТ, 1996, №3.

21. Информация о работе комплекса МТВ113 фирмы "Ноель" в Москве. ТИМР, РОБТ, 1997, №5.

22. Едуков Н.И. Строительство канализационных коллекторов в Нижнем Новгороде. ТИМР, РОБТ, 1998, №6.

23. Самойлов В.П. Комплекс КМП-800. ТИМР, РОБТ, 1999, №3.

24. Иванов О.Н., Самойлов В.П., Сахаров О.Т., Павлов А.С., Пахомов В.П. Микропроходческий комплекс для бестраншейных технологий. ТИМР, РОБТ, 1999, №6.

25. Жуков A.M. Метромаш, цель эксперимента создание отечественного микротоннельного оборудования. ТИМР, РОБТ, 1999, №8.

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

27. Дерфель И.Г., Ростовцев И.Е., Друкер В.Э. Опыт ООО "Крепь" в бестраншейной прокладке инженерных сетей. ТИМР, РОБТ, 2001, №5.

28. Соломатин Ю.Е. Техника фирмы "Херренкнехт" для бестраншейной прокладки коммуникаций признанный лидер подземного строительства. ТИМР, РОБТ, 1999, №5.

29. Синицкий Г.М., Штеклейн А.Р., Горделадзе И.Ш., Толмачев В.И., Туренский С.Н. Новые технологии максимум эффективности. ТИМР, РОБТ, 2001, №5.

30. Насонов Н.П. Опыт применения технологии микротоннелирования в условиях исторического центра С- Петербурга. ТИМР, РОБТ, 2000, №3.

31. Шишов О.В. Первый опыт микротоннелирования в Сибири. ТИМР, РОБТ, 2001, №2.

32. Информация о сооружении тоннеля в Перми. ТИМР, РОБТ, 2000, №4.

33. Райнер Г., Рудигер К. Горизонтальное направленное бурение и микротоннелирование сравнение двух методов прокладки трубопроводов. ТИМР, РОБТ, 2001, №6.

34. Бурмистров В.А. Перспективы развития бестраншейных технологий в России. ТИМР, РОБТ, 1999, №5.

35. Бурмистров В.А. Бестраншейные технологии в России. ТИМР, РОБТ, 1999, №6.

36. Власов С.Н. Выдержки из доклада на секции НТС Госстроя РФ. ТИМР, РОБТ, 2000, №5.

37. Синицын А.Ю. Современные методы прокладки подземных коммуникаций. ТИМР, РОБТ, 2001, №8.

38. Соломатин Ю.Е., Валиев А.Г., Самойлов В.П. Опыт прокладки канализационных трубопроводов с помощью микропроходческого комплекса AVN 600 фирмы "Херренкнехт". ТИМР, РОБТ, 2002, №6.

39. Бурмистров В.А. Пластиковые трубы в практику водоканалов. ТИМР, РОБТ, 1999, №2.

40. Лабунский А.В. Полимербетон для подземных коммуникаций. ТИМР, РОБТ, 2000, №6.

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

42. Синицын А.Ю. Трубы для микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, 2002, №3.

43. Проспекты и предложения фирмы "Хобас". ТИМР, РОБТ, 2002, №5.

44. Мирошниченко И.А. Внедрение новых материалов и технологий в коммунальное строительство приднепровского региона Украины. ТИМР, РОБТ, 2000, №2.

45. Проспекты и предложения фирмы "Майер". ТИМР, РОБТ, 2000, №5.

46. Бессолов П.П. Основные принципы восстановления эксплутационной надежности обделок канализационных тоннелей с помощью тонкостенных полимербетонных труб. ТИМР, РОБТ, 1998, №8.

47. Иванов О.В., Киселев Д.С., Гукасов Н.А., Синицын А.Ю., Сердистый А.Ю. Отечественные полимербетонные трубы, применяющиеся в Москве. ТИМР, РОБТ, 2000, №7.

48. Самойлов В.П. Усилия, возникающие в процессе внедрения в грунт головной части щита и продавливаемых трубопроводов. "Водоснабжение и санитарная техника", 1957, №10.

49. Баклашов И.В., Курносов В.И. Усовершенствованный метод расчета усилий в домкратах коллекторных щитов. "Вопросы сооружения горных выработок". Недра, 1965

50. TGL 34759/02. Стандарт ГДР. Подземное горизонтальное продавливание труб. Определение нагрузок и размеров.

51. Тоги Osumi. Расчет усилия при продавливании труб., М. ТИМР, РОБТ, 2000, №8.

52. A.-L. Pellet-Beaucour, R. Kastner Experimental and analytical study of friction forces during microtunneling operation. Tunneling and Underground Space Technology, 2002, Vol. 17.

53. Teruhisa Nanno. A method for driving curved pipe-jacked tunnels. Tunneling and Underground Space Technology, 1996, Vol. 11.

54. Газетдинов A.T., Улицкий B.M., Парамонов B.H. и др. Проходка микротоннелей в условиях плотной городской застройки. ТИМР, РОБТ, 1998, №8.

55. Scherle M. Rohrvortriel, band 2, Berlin, 1977

56. Уффман X. Информация о перспективных разработках фирмы "Херренкнехт". ТИМР, РОБТ, 2002, №7.

57. Вилкинсон Д. Успех микротоннелирования: факторы, которые следует учитывать. Проблема развития транспортных и инженерных коммуникаций. Научно-технический альманах. ТИМР,2002, №2-№3.

58. ATV А161. Статические расчеты проходческих тоннелей/труб (01.90).

59. Баклашов И.В., Хлопцов В.Г., Рёсслер У. Статические расчеты в технологии микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, 2003, № 10.

60. Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных сооружений. М., Госстройиздат, 1950.

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

62. Баклашов И.В., Хлопцов В.Г., Рёсслер У. Нагрузки на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования.- ТИМР, РОБТ, 2004, № 8.

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

64. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М., Недра, 1992.

65. Руководство по проектированию гидротехнических тоннелей. М., Стройиздат, 1982.

66. Рекомендации по производству работ при сооружении тоннелей метрополитена методом продавливания. М., ЦНИИС, 1988.

67. МГСН 6.01-03 Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением микротоннелепроходческих комплексов и реконструкция трубопроводов с применением специального оборудования. М. 2004.