Геомеханическое прогнозирование процессов деформирования и разрушения обделки тоннелей в технологии микротоннелирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Йорг Кристиан Штернагель

• Йорг Кристиан Штернагель
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Йорг Кристиан Штернагель

Введение

1. Анализ существующих проектных решений и опыта микротоннелирования в скальных породах на криволинейных трассах и постановка задач диссертационных исследований

1.1. Краткий обзор производственного опыта микротоннелирования в скальных породах и на криволинейных трассах

1.2. Анализ существующих исследований по прогнозированию усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования

1.3. Анализ существующих исследований и нормативных рекомендаций по оценке прочности и трещиностойкости обделки

1.4. Постановка задач диссертационных исследований

2. Геомеханическое обоснование процессов деформирования и разрушения обделки на криволинейных трассах микротоннелирования

2.1. Особенности нагружения, деформирования и возможные механизмы разрушения обделки

2.2. Прогнозирование напряжённо-деформированного состояния обделки на криволинейных трассах микротоннелирования

2.3. Возможные механизмы разрушения и методы прогнозирования прочности и трещиностойкости обделки на криволинейных трассах микротоннелирования

3. Экспериментальная проверка рекомендуемой методики расчёта усилий продавливания и прочности обделки на криволинейных трассах микротоннелирования

3.1. Характеристика объекта и результаты производственного эксперимента

3.2. Экспериментальная проверка рекомендаций по расчёту усилий продавливания

3.3. Оценка напряжённого состояния обделки для условий эксперимента

3.4. Экспериментальная проверка прочности и трещиностойкости обделки

4. Практическая реализация в России рекомендаций по проектированию арматурных каркасов железобетонных труб для микротоннелирования

4.1. Анализ конструктивных решений железобетонных труб, производимых в России и Германии

4.2. Определение внутренних усилий в характерных сечениях железобетонных труб, производимых и рекомендуемых для производства в России, от воздействия эксплуатационных нагрузок

4.3. Расчёт продольных сечений обделки и спиральной арматуры по предельным состояниям первой группы (по прочности) и второй группы (по раскрытию трещин)

4.4. Расчёт поперечных сечений обделки и продольной арматуры по предельным состояниям первой группы (по прочности) и оценка экономической эффективности рекомендуемых конструктивных решений железобетонных труб

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое прогнозирование процессов деформирования и разрушения обделки тоннелей в технологии микротоннелирования»

Технология микротоннелирования, как самая современная наукоёмкая технология подземного строительства, за тридцатилетний период развития значительно расширила область своего применения: от прокладки трубопроводов малого диаметра без присутствия людей на небольших глубинах и в слабых грунтах до проходки тоннелей большого диаметра до 4,5м с присутствием людей в скальных породных массивах по трассам глубокого заложения с большой протяженностью и со сложной траекторией. Можно утверждать, что технология микротоннелирования сегодня находится на новом этапе развития. За последние годы расширилась практика микротоннелирования и в России. По состоянию на 2004 г. в России работало более 40 микротоннелепроходческих комплексов, из них 24 комплекса диаметром от 0,4 м до 2,0 м в г. Москве. Если в 2000 г. сооружалось 3 км тоннелей по технологии микротоннелирования, то в 2004 г.- 15 км.

Мировая практика свидетельствует о том, что применение технологии микротоннелирования в более сложных горно-геологических условиях потребовало создания новой техники: разрушающих механизмов по скальным породам, мощных домкратных установок, более совершенных навигационных систем управления проходческими комплексами. Совершенно очевидно, что при проходке по жёстким скальным породам на криволинейных трассах значительно возрастают монтажные продольные нагрузки на обделку от воздействия домкратных установок.

Как показывает практика микротоннелирования, в том числе и российская, стали более частыми случаи разрушения обделки от воздействия монтажных нагрузок. Основная причина таких аварийных ситуаций состоит в том, что конструктивные решения обделок неадекватно отражают фактические условия их нагружения, так как существующие нормы проектирования обделок построены на идеализированных схемах нагружения и в этом смысле отстают от развития техники микротоннелирования. Отсюда необходимо проведение специальных научных исследований как теоретического, так и экспериментального характера, которые бы объясняли особенности деформирования и разрушения обделки при микротоннелировании в жёстких скальных породах, на больших глубинах, по криволинейным трассам большой протяжённости, т.е. в горно-геологических условиях, характеризующих новый этап развития и применения технологии микротоннелирования. С этой точки зрения тема диссертационных исследований является актуальной.

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании методики прогнозирования усилий продавливания, напряжённого состояния и особенностей разрушения обделки при микротоннелировании с конечным выходом на разработку рекомендаций по конструированию обделки.

Идея работы заключается в том, что при развороте обделки на криволинейных участках микротоннелирования в жёстких скальных породах и её деформировании совместно с окружающим породным массивом со стороны последнего возникают значительные по величине поперечные реактивные нагрузки, которые превосходят нагрузки от горного давления и в конечном итоге могут быть причиной разрушения обделки.

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

1. Деформированное состояние породного массива и обделки, возникающее при её развороте на криволинейных участках микротоннелирования, увеличивает дополнительные монтажные усилия продавливания не более чем на 30%, в то время как без учёта этих деформаций увеличение усилий продавливания может достигать 70%.

2. Напряжённо-деформированное состояние породного массива, обделки и определяющие их монтажные усилия продавливания на криволинейных участках микротоннелирования нелинейно возрастают с увеличением отношения модуля деформации массива Еи к модулю деформации бетона обделки Ес, при этом наибольшая тенденция увеличения этих параметров наблюдается в диапазоне изменения указанного отношения О <ЕЛ1/Еб <0,01.

3. Основные параметры продавливания (лобовое сопротивление забоя Р0, удельное сопротивление трения на прямолинейных участках q и дополнительные усилия продавливания на криволинейных участках Р2 микротоннелирования) могут быть определены по специально разработанной методике экспериментальных замеров давлений в главной и промежуточной домкратных станциях на первом прямолинейном и следующим за ним криволинейном участках микротоннелирования.

4. Прогнозные оценки напряжённого состояния обделки и её разрушения свидетельствуют о том, что определяющими прочность обделки являются монтажные продольные нагрузки и возникающие от их воздействия реактивные поперечные нагрузки на обделку со стороны породного массива при её развороте, которые могут быть причиной образования трещин, наклонных к продольной оси обделки, и смятия торцевых сечений, а также образования продольных трещин на внутренней поверхности в боках обделки, что подтверждается экспериментальными исследованиями на объектах микротоннелирования.

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

• использованием апробированных методов геомеханики и механики подземных сооружений для определения напряжённо-деформированного состояния породного массива, обделки и особенностей разрушения обделки тоннелей;

• удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 10%) прогнозных расчётных оценок усилий продавливания с фактически измеренными;

• сходимостью прогнозных оценок разрушения обделки с фактически наблюдаемыми при микротоннелировании;

• положительными результатами внедрения рекомендаций по расчёту арматурных каркасов в практику проектирования железобетонных обделок в России.

Методы исследований: анализ и обобщение существующего опыта проектирования и производства работ при микротоннелировании; теоретические исследования усилий продавливания и напряженно-деформированного состояния породного массива и обделки методами геомеханики и механики подземных сооружений; экспериментальные исследования на объектах микротоннелирования; расчётное обоснование арматурных каркасов железобетонных обделок.

Научное значение работы заключается в развитии существующих представлений о геомеханических процессах, формирующих реактивные поперечные нагрузки на обделку со стороны породного массива при её развороте на криволинейных участках микротоннелирования.

Практическое значение работы состоит в разработке методики прогнозирования усилий продавливания, напряженно-деформированного состояния и особенностей разрушения обделки при микротоннелировании.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы реализованы в расчётном обосновании несимметричных арматурных каркасов железобетонных обделок диаметром 1200, 1500, 2000 мм, выпускаемых ООО «Завод специальных железобетонных труб».

Апробация работы. Результаты работы обсуждались в сентябре 2005 г. на семинаре Российского общества по внедрению бестраншейных технологий, на семинарах в учебно-исследовательском центре «Геомеханика» МГГУ и на заседаниях кафедры ФГПиП МГГУ в 2004 и 2005 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять работ.

Объём работы. Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит список литературы из 54 наименований, 23 рисунка и 19 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Йорг Кристиан Штернагель

Основные выводы, следующие из проведенного анализа:

1. Определяющими при расчёте обделки являются монтажные нагрузки (их величина и эксцентриситет приложения), возникающие при входе в первый от стартовой шахты криволинейный участок, когда головная секция проходческого комплекса находится у выхода в приемную шахту.

2. Величина указанных монтажных нагрузок и возникающих при их воздействии на элемент обделки компонентов напряжений существенным образом зависит от соотношения деформационных характеристик обделки и окружающего породного массива.

Поэтому для последующего анализа будем рассматривать монтажные нагрузки, действующие на задний торец 35 элемента обделки (строка 16 в таблице 2.1), в зависимости от соотношения модулей деформации породного массива £„ и железобетонной обделки Е0 в виде —1-=0,001; 0,005; 0,01; 0,05;

Ео

0,1, где первое значение соответствует рассмотренному выше расчетному случаю с £„=20 МПа и =20000 МПа, коэффициенты Пуассона остаются неизменными //„=0,3, //с=0,2. При этом с увеличением жесткости породного массива будем принимать соответственно увеличивающийся коэффициент трения породы по бетону /лтр=0,3; 0,35; 0,40; 0,45; 0,5 и возрастающее удельное сопротивление трения д =0,003; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05 (МПа), где

71 первые значения цтр= 0,3 и q =0,003 МПа соответствуют рассмотренному выше расчётному случаю. Для вычисления коэффициентов податливости массива Д = рм по формуле (2.8) принимаем модуль деформации массива соответственно принятому отношению модулей Е'Уе пРи неизменном модуле деформации бетона £й =20000 МПа. Тогда в расчётах рм принимаем £„=20; 100; 200; 1000; 2000 МПа и соответственно получим Д, = 490-10"4; 98-Ю"4; 49-Ю"4; 9,8-Ю"4; 4,9-10"4 (м/МПа). Для железобетонной обделки коэффициент податливости Д = Д =24,4-10"4 (м/МПа). Отношение соответствующих коэффициентов податливости -^-=0,05; 0,25; 0,5; 2,5; 5.

Рм

Далее в зависимости от величины отношений модулей деформации —1- и

Е6 коэффициентов податливости были вычислены: максимальное усилие

Рм продавливания Р [МН]; усилие в заднем стыке Рт [МН] 35 элемента; среднее напряжение в заднем стыке <х0 [МПа] 35 элемента; абсолютный эксцентриситет X [м] монтажной нагрузки в заднем стыке 35 элемента; максимальное напряжение сжатия сг:[тх [МПа] 35 элемента; максимальное радиальное напряжение еггпшх [МПа] на контакте 35 элемента с породным массивом; максимальные окружные растягивающие напряжения <х01гах [МПа] в торцевом и среднем сечении 35 элемента; максимальные осевые сжимающие и растягивающие напряжения <гг1ШХ [МПа] в среднем поперечном сечении 35 элемента обделки. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.2 и графически представлены на рис. 2.3, б; 2.5, а и б; 2.6, а и б; 2.7, а и б.

Заключение.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по прогнозированию геомеханических процессов деформирования и разрушения обделки в технологии микротоннелирования, имеющие существенное значение для повышения экономической эффективности подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Современный этап развития технологии микротоннелирования характеризуется проходкой тоннелей большого диаметра (до 4,5 м) с присутствием людей, в скальных грунтовых массивах по трассам глубокого заложения до (25 м), большой протяжённости и со сложной криволинейной траекторией.

2. Разработаны геомеханически обоснованные рекомендации по определению усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования, учитывающие совместное деформирование породного массива и обделки при её развороте.

3. Напряжённо-деформированное состояние элементов обделки на криволинейных участках существенным образом зависит от соотношения жёсткости обделки и окружающего породного массива и увеличивается с увеличением отношения модуля деформации массива Ем к модулю деформации бетона Еб: в этом смысле при отношении Ем/ Еб<0,01 окружающий массив можно характеризовать как грунтовой, при отношении Ем/ Еб>0,01 - как скальный.

4. Разработаны методические рекомендации по прогнозированию разрушений обделки от воздействия продольных монтажных нагрузок, поперечных эксплуатационных нагрузок и при совместном действии этих нагрузок, при этом установлено, что определяющими являются продольные монтажные нагрузки.

5. По прогнозным оценкам наиболее вероятная локализация и характер разрушений обделки: образование наклонных к продольной оси обделки трещин и смятие в торцевых поперечных сечениях; образование продольных и наклонных трещин на внутренней поверхности в боку обделки.

6. Разработаны методические рекомендации по определению основных параметров продавливания на основании экспериментальных данных по замерам усилий, развиваемых в основной и промежуточной домкратных установках на объектах микротоннелирования.

7. Сформулированы рекомендации по экспериментальным наблюдениям за разрушением обделки на объектах микротоннелирования.

8. Разработаны рекомендации по расчёту продольной и поперечной спиральной арматуры железобетонных обделок при проектировании арматурных каркасов с несимметричным армированием.

9. Рекомендации по расчёту арматурных каркасов внедрены в практику проектирования железобетонных обделок, производимых в России, что позволяет одновременно снизить материалоёмкость обделок и вероятность аварийных ситуаций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Йорг Кристиан Штернагель, 2005 год

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

2. Scherle М. Rohrvortrieb, Band 1, Berlin, 1977.

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

4. Unclemole Tunneling method, Unclemole super Tunneling Method, Estimate calculation materialas. Tokyo. Unclemole Assotiation. April, 1994.

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

6. Новые японские технологии бестраншейной прокладки трубопроводов. Сборник статей Международного конгресса по строительству трубопроводов, ТИМР, 1996.

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

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

9. Бессолов П.П. Информация о работе комплекса AVN-1200 в С-Петербурге. ТИМР, РОБТ, №3, 1995.

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

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

12. Самойлов В.П. Управляемая бестраншейная прокладка подземных коммуникаций: состояние и российские перспективы.

13. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций, ТИМР, №1,2002.

14. Ресслер У. Геомеханическое обоснование нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Фонды МГГУ, 2004.

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

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

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

18. Соломатин Ю.Е. Опыт и особенности микротоннелирования в России. ТИМР, РОБТ, №7,2003.

19. Ферингер А. Технология микротоннелирования. Опыт работы в России. ТИМР, Подземное пространство мира, №2-3, 2004.

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

21. Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом. М., 2004.

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

23. Микротоннелирование в строительстве газапровода в Италии. По материалам журнала «No-dig International». Август 2002. ТИМР, РОБТ, 2003.

24. Развитие рынка микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, №3, 2002.

25. Обзор мировых новостей. Проходка микротоннеля в Сингапуре. ТИМР, РОБТ, №1,2004.

26. Джеймс Д. Брумфилд. Строительство тоннеля сложной конфигурации методом продавливания труб в Южной Корее.

27. Геоформ+ 10-13 марта 2004г., Москва, ТИМР, РОБТ, №3, 2004.

28. BAUMA 2004- Ярмарка мирового масштаба №1. ТИМР, РОБТ, №4, 2004.

29. Синицын А.Ю. Новые трубы для бестраншейных технологии в России. ТИМР, РОБТ, №4, 2004.

30. Синицын А.Ю. Преамбула к семинару по бестраншейным технологиям в Москве. ТИМР, РОБТ, №6, 2004.

31. Власов С.Н. Московские городские нормы по бестраншейной прокладке коммуникаций должны быть утверждены. ТИМР, РОБТ, №5, 2004.

32. Певницкий А.Г. Микротоннелирование в Н.Новгороде. ТИМР, РОБТ, №6,2004.

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

34. Агиян В.А. ООО «Стис»: фирма «Херренкнехт АГ» идет на встречу проектам строительства инфраструктурных объектов водоотведения С-Петербурга. ТИМР, РОБТ, №6, 2004.

35. Шабалкин A.B. Проблема проектирования бестраншейных технологий, опыт последних лет. ТИМР, РОБТ, №7, 2004.

36. Мессинг Манфред. Точное наведение тоннелепроходческого щита при микротоннелировании. ТИМР, РОБТ, №6, 2004.

37. SLS-RV Навигационная система для микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, №8, 2004.

38. Scherle М. Rohrvortrieb, Band 2, berlin, 1977.

39. Teruhisa Nano. A metod for driving curved pipejaked tunnels. Tunneling andUndergraund Spake Technology, vol. 11.,1996.

40. Баклашов И.В., Хлопцов В.Г., Ресслер У. Статические расчёты в технологии микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, №10, 2003.

41. Ресслер У. Оценка дополнительных усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования. ТИМР, Подземное пространство мира, №2-3, 2004.

42. Баклашов И.В., Хлопцов В.Г., Ресслер У. Нагрузка на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования. ТИМР, РОБТ, №8, 2004.

43. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. М., 1990

44. СНиП 2.06.08-87 Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. М., 1996.

45. СНиП 2.06.09-84 Туннели гидротехнические. М., 1985.

46. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы. М., 1985.

47. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. М., Недра, 1986.

48. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М., Недра, 1988.

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

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

51. Баклашов И.В., Штернагель Й. Усилия продавливания обделки и её деформирование на криволинейных трассах микротоннелирования в скальных породных массивах. ТИМР, РОБТ, №2, 2005.

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

53. Штернагель И. Экспериментальная проверка методики расчёта усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования. ТИМР, Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций, №4, 2005.

54. Штернагель Й., Ресслер У., Баклашов И.В. Прогнозирование и экспериментальная проверка напряжённого состояния и разрушений обделки при микротоннелировании. ТИМР, Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций, №3-4, 2005.

55. Баклашов И.В., Штернагель Й. Статические расчёты в технологии микротоннелирования на современном этапе. Строительная инженерия, №11, 2005.