Обоснование и разработка метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Шорников, Иван Игоревич

• Шорников, Иван Игоревич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шорников, Иван Игоревич

Содержание

Введение

Глава 1. Современное состояние и анализ методов прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей

1.1. Общее современное состояние исследований по технологии микротоннелирования

1.2. Анализ методов прогнозирования усилий продавливания

1.3. Анализ существующих исследований по влиянию строительного зазора и его заполнения бентонитовым раствором

на усилия продавливания

1.4. Выводы и постановка задач диссертационных исследований

Глава 2. Методика моделирования усилий продавливания обделки

тоннелей

2.1. Физико-механические характеристики свойств пород, контакта "порода - обделка" и материалов обделки

2.2. Моделирование статической работы обделки тоннелей

при ее продавливании

2.3. Моделирование жесткости призабойной породной зоны

2.4. Механизм передачи усилий продавливания на забой выработки

2.5. Расчетная схема определения сопротивления продавлива-нию тоннельной обделки на участках трассы с технологической кривизной

2.6. Методика определения степени влияния расчетных параметров на величины усилий продавливания

Выводы по главе

Глава 3. Результаты моделирования усилий продавливания обделки

тоннелей

3.1. Оценка погрешности численного моделирования

3.2. Зависимости усилий продавливания от диаметра обделки

3.3. Результаты моделирования статической работы обделки тоннелей при ее продавливании

3.4. Зависимости усилий продавливания от геометрии трассы

3.5. Зависимости усилий продавливания от фронтальной жесткости

3.6. Зависимости коэффициентов передачи усилий продавлива-

ния

3.7. Зависимость фрикционной составляющей от параметров

технологических искривлений

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальная проверка результатов моделирования и

рекомендации по прогнозированию усилий продавливания

4.1. Выбор экспериментального участка

4.2. Методика измерений на экспериментальном участке и обработка результатов измерений

4.3. Сопоставление результатов моделирования для условий экспериментального участка с результатами экспериментальных замеров

4.4. Оценка достоверности результатов моделирования

4.5. Рекомендуемый метод прогнозирования усилий продавливания в технологии микротоннелирования

Выводы по главе

Заключение

Список используемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование и разработка метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей»

Введение

Важнейшими функциональными объектами городской инфраструктуры являются коллекторные тоннели для инженерных коммуникаций различного назначения. Распространенная в Москве практика строительства коллекторных тоннелей свидетельствует о широком применении бестраншейных технологий, среди которых наиболее прогрессивной является технология микро-тоннелирования.

В последние годы технология микротоннелирования значительно расширила область своего применения. Это прокладка трубопроводов малых и больших диаметров большой протяженности и со сложной траекторией без присутствия людей на разных глубинах и в разных породах.

Анализ опыта применения технологии микротоннелирования показывает, что имеют место отказы конструкций для продавливания в стартовых шахтах, разрушения элементов обделки от воздействия монтажных нагрузок. Основная причина таких аварийных ситуаций состоит в том, что величины усилий продавливания назначаются на основе идеализированных схем взаимодействия конструкции обделки с породным массивом. Параметры неизбежных отклонений фактической траектории тоннеля от проектной в расчетах усилий продавливания не отражены. Не учитываются также при проектировании наблюдаемые на практике значительные увеличения усилий продавливания при остановке проходческих комплексов.

В то же время зарубежный и отечественный опыт применения технологии микротоннелирования при продавливании тоннельных обделок свидетельствует о том, что обеспечение безаварийного процесса ведения работ может быть достигнуто прогнозированием усилий продавливания на основе совместного учета параметров геометрии трассы, параметров системы "обделка - раствор - порода" и конструктивных параметров обделки.

Сложившаяся ситуация характеризуется тем, что

-5- исследование взаимодействия в системе "обделка - раствор - порода" сопряжено с изучением большого количества влияющих факторов и выбором наиболее информативных показателей, что до настоящего времени остается мало исследованной областью геомеханики;

- до настоящего времени отсутствует инженерный метод расчета усилий продавливания обделок тоннелей, сооружаемых по технологии микро-тоннелирования.

В связи с этим разработка научно обоснованного метода прогнозирования усилий продавливания в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в обосновании и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей, что позволяет повысить надежность проектирования конструктивных элементов обделки, стартовых шахт и домкрат-ных установок.

Идея работы состоит в использовании эффекта нарушения сцепления на контакте в системе "обделка - раствор - порода", обусловленного силой трения покоя, для обоснования реально наблюдаемых усилий продавливания, учитывающих проектную и технологическую кривизну трассы микро-тоннелирования.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Усилия продавливания на прямолинейных трассах микротоннелиро-вания складываются из забойной и фрикционной составляющих, которые определяются конструктивными параметрами обделки, деформационными характеристиками системы "обделка - раствор - порода" и коэффициентом трения покоя на контактах системы, учет которого объясняет наблюдаемое в натуре увеличение усилий продавливания на 20-25% по сравнению с прогнозируемым усилием, учитывающим коэффициент трения скольжения.

-62. Усилия продавливания на криволинейных участках трассы в меньшей степени зависят от проектной кривизны и в большей степени от технологической кривизны трассы, учет которой увеличивает прогнозируемые усилия продавливания на 80-95%.

3. Разработанный алгоритм прогнозирования усилий продавливания позволяет обосновать конструктивные параметры обделки - материал, толщину стенки и длину элементов обделки и технологические параметры мик-ротоннелирования - тип проходческого комплекса, консистенцию бентонитового раствора, мощность главной и промежуточных домкратных станций, расстояние между промежуточными домкратными станциями, конструкцию стартового котлована и упорной стенки.

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

- корректностью применения методов моделирования геомеханических процессов в породном массиве и на контакте элементов обделки и породного массива;

- представительным объемом материалов по применению технологии микротоннелирования, использованных для проверки результатов моделирования;

- удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 10% в пределах доверительных интервалов) прогнозных расчетных оценок с фактически измеренными усилиями продавливания.

Научное значение работы заключается в теоретическом обосновании и количественной оценке геомеханических процессов в породных массивах, формирующих напряженно-деформированное состояние обделки при про-давливании в бестраншейных технологиях.

Практическое значение работы состоит в разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования, отражающего особенности её поведения в породном массиве.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанный метод прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей рекомендован для проектирования в ГУП "Мосинжпроект" и ООО "Институт "Каналстройпро-ект".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на научном симпозиуме «Неделя горняка - 2012», обсуждены и одобрены на семинарах в учебно-исследовательском центре "Геомеханика" МГГУ и на научных семинарах кафедр ФГПиП и СПСиШ МГГУ (2010 - 2012гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 62 рисунка, 15 таблиц, список использованной литературы из 76 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Шорников, Иван Игоревич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Приведены результаты замеров положения трассы тоннеля на экспериментальном участке. Дана исходная таблица измерений раскрытия стыков и усилий продавливания.

2. Проведено сравнение результатов замеров и вычисленных по разработанной методике значений углов разворота и усилий продавливания. Получено удовлетворительное совпадение в пределах доверительного интервала 35 тонн.

3. Предложен алгоритм определения усилий продавливания для реализации его в практике проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства, отражающего взаимодействия в системе "обделка - раствор - массив горных пород", что имеет существенное значение для развития теории геомеханических процессов в породных массивах и методов проектирования технологий подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. Сформулированы основные положения методики моделирования усилий продавливания на основе балочной конечно-элементной расчетной схемы, учитывающие взаимодействия в системе "обделка - раствор - порода".

2. Установлены зависимости для значений внутренних усилий в стыках обделки при различных углах разворота труб, что позволяет рассчитывать их предельные значения на трассах с различными радиусами кривизны.

3. Получены зависимости для забойной и фрикционной составляющих усилий продавливания для прямолинейных участков, отражающие влияние характеристик обделки и параметров системы "обделка - раствор - порода".

4. Показано, что на расстояниях 60-100 м влияние забойной составляющей на общее усилие продавливания становится незначительным по сравнению с фрикционной составляющей.

5. Показано, что при увеличении длины участка продавливания сначала происходит линейное увеличение усилий с последующим выполаживанием кривой до максимального значения.

-1096. Показано, что на криволинейных участках с проектной кривизной происходит увеличение усилий продавливания до 6% , а наличие участков с технологической кривизной может приводить к трехкратному увеличению усилий продавливания при малых диаметрах обделки и до 50% при больших диаметрах. 7. Разработан алгоритм расчета усилий продавливания для его реализации при проектировании характеристик обделки, упорной стенки и домкратных установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шорников, Иван Игоревич, 2012 год

Список использованной литературы

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

2. Баклашов И.В., Павлов О.Н., Шорников И. И. Моделирование статической работы обделки тоннелей при ее продавливании в технологии микротоннелирова-ния// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011. - №10. - С.216-221.

3. Баклашов И.В., Павлов О.Н., Шорников И. И. Оценка усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012. - №1 - С.255-258.

4. Баклашов И.В., Хлопцов В.Г., Ресслер У. Нагрузка на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования. - ТИМР, РОБТ. - 2004. - №8. - С. 18-19.

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

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

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

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

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

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

11. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. М.: Недра, 1973. - 304с.

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

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

14. Временные рекомендации по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных и высокоточных обделок кабельных и канализационных коллекторов/Авт.: Павлов О.Н., Левченко А.Н., Корчак A.B., Мельни-

кова С.А., Франкевич Г.С., Курганский М.Н., Закоршменный А.И. - М.: МГГУ, 2008. - 44с.

15. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.- 510 с.

16. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 542с.

17. Ильюшин A.A.. Ленский B.C. Сопротивление материалов. - М.:Физматлит, 1959.-372с.

18. Каган A.A. Расчетные характеристики грунтов. - М.: Стройиздат, 1985. - 248с.

19. Ливсли Р. Матричные методы строительной механики: Пер. с англ. / Под ред. A.M. Проценко. - М.: Стройиздат, 1980. - 224с.

20. Мазеин C.B. Измерение технологических параметров щитовой проходки транспортных тоннелей//Метро и тоннели. - 2009. - №2. - С.8.

21. Мазеин C.B. Использование оперативного технологического контроля в прогнозе геотехнических процессов щитовой проходки транспортных тоннелей// Тр. межд. научн. - техн. конф. «Транспортные тоннели для будущих скоростных магистралей». - М. - 2010. - С.61-65.

22. МГСН 6.01-03. Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением мик-ротоннелепроходческих комплексов и реконструкция трубопроводов с применением специального оборудования. - М., 2004.

23. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1996.- 166с.

24. Одинцев В.Н. Методология расчета горного давления. - М.: Наука, 1981. -106с.

25. Ресслер У. Геомеханическое обоснование нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования. - Дисс. на соиск. канд. техн. наук. - М.: МГГУ, 2004.

26. Ресслер У. Оценка дополнительных усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования. - ТИМР, Подземное пространство мира. -2004.-№2-3.-С.33-36.

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

28. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей/Всесоюз. проект.-изыскат. и н.-и. ин-т "Гидропроект" им. С. Я. Жука. - М.: Стройиздат, 1982. -287с.

29. Самойлов В.П. Управляемая бестраншейная прокладка подземных коммуникаций: состояние и российские перспективы. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - ТИМР. - 2002. - №1.

30. Самойлов В.П., Мишуков А.Н., Власов С.Н. Опыт прокладки канализационных

трубопроводов с применением оборудования фирмы «Херренкнехт». - ТИМР, 1995.

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

32. Синицын А.Ю. Современные методы прокладки подземных коммуникации. -ТИМР, РОБТ. - 2001 - №8.

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

34. Сиратори М., Миёси Т.. Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. -М.: МИР, 1986. - 334с.

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

36. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ./ Под ред. Г.С. Шапиро. - 2-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 560с.

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

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

39. Шорников И. И. Прогнозирование усилий продавливания обделки тоннелей в технологии микротоннелирования: современное состояние// Горный информационно-аналитический бюллетень ал, 2011. - №9 - С.163-168.

40. Шорников И. И. Прогнозирование усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012. - №2 - С.410-412.

41. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. / Пер. с нем. - М.: Стройиздат, 1994. - 288 с.

42. Штернагель Й. Геомеханическое прогнозирование процессов деформирования и разрушения обделки тоннелей в технологии микротоннелирования. - Дисс. на соиск. канд. техн. наук. - М.: МГГУ, 2005. - 147с.

43. Штернагель Й. Экспериментальная проверка методики расчета усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования. - ТИМР. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - 2005. - №4.

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

45. Ahmed S. S., Al Ghanem M., Gahir J. - Overcoming frictional resistance during micro- tunnelling using pipe jacking method/ World Tunnel Congress 2008 " Underground Facilities for Better Environment and Safety", India-2008. - pp.1670-1677.

46. Barla M., Camusso M. - Analysis of jacking forces during microtunnelling in limestone// Tunnelling and Underground Space Technology. - 2006. - v. 21. - pp. 668683.

47. Borghi F. X. Soil conditioning for pipe-jacking and tunnelling. - PhD thesis/ University of Cambridge - Clare College, 2006. - 384p.

48. Bosseler B., Falter B. - Simulation of pipe-jacking: Computer models and 1:1 scale tests/Mediterranean NO DIG 2007 - XXVth International Conference & Exhibition -Roma, 10/12 Settembre ,2007.- 12p.

49. Broere W., Faassen T.F., Arends G., van Tol A.F. - Modelling the boring of curves in (very) soft soils during microtunnelling//Tunnelling and Underground Space Technology. - 2010. - vol. 25. - pp.469^177.

50. Chapman, D.N., Ichioka, Y. - Prediction of jacking forces for microtunnelling opera-tions//Tunnelling and Underground Space Technology. - 1999. - vol.l4.(S.l) - pp.3141.

51. Forrester A.I.J, Sobester A., Keane A.J. Engineering design via surrogate modelling/ A practical guide. - N.Y.: J.Wiley & Sons, Ltd., 2008. - 212p.

52. ISO 1568-1. - Buildings and constructed assets - Service life planning - Part 1: General principles.

53. Kim S.H., Tonon F. - Face stability and required support pressure for TBM driven tunnels with ideal face membrane - Drained case//Tunnelling and Underground Space Technology , 2010. - v.25. - Issue5. - pp.526-542.

54. Madsen H.O. Omission sensitivity factors // Structural safety. - 1988. - V.5. - No.l.-pp.35-45.

55. Milligan G. W.E. Lubrication and soil conditioning in tunnelling, pipe jacking and microtunnelling/A state-of-the-art review - Geotechnical Consulting Group.- London, 2000. - 46p.

56. Milligan G.W.E. and Norris P. The performance of concrete jacking pipes during installation / Report No. OUEL 1986/93. - University of Oxford, Department of Engineering Science. - Oxford, 1993. - 56p.

57. Misra Anil, Roberts Lance A. Analytical Models for Soil-Structure Interaction during Pipe-Jacking/ Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference (ICGE 2007), Wuhan, China, http://dx.doi.org/10-l 115/1.802922.paper37

58. Misra Anil, Roberts Lance A., Najafi Mohammad. Probabilistic Soil-Structure Interaction Model for Pipe-Jacking Force Analysis/ ASME Conf. "Pipelines

2008"//Pipeline Asset Management: Maximizing Performance of our Pipeline Infrastructure. - pp. 1-10, http://dx.doi.org/10.1061/40994(321)31

59. Mok W. W. S.,Mak M. K. W.,Poon F. H. T . - Sewer installation by pipejacking in the urban areas of Hong Kong/ Part II - Performance of Works, Lessons Learned and

60.

61.

62.

63.

64.

65.

66,

67,

68,

69

70

71

72

73

Improvements Proposed// The Hong Kong Institution of Engineers Transactions. -2007. - v.14. - No.l. - pp.31-43.

Nanno T. - A method for driving curved pipe-jacked tunnels//Tunnelling and Underground Space Technology. - 1996. - vol.11.(S.2) - pp.3-25.

Norris P. The behaviour of jacked concrete pipes during site installation. - PhD thesis/ University of Oxford. - Pembroke College Trinity Term, 1992.- 227p. Osumi, Torn. (2000), Calculating Jacking Forces for Pipe Jacking Methods. No-Dig International Research. October, 2000.- pp. 40-42.

Phelipot, A., Dias, D., Kastner, R., 2003. Influence of overcut and lubrication during microtunneling. In: Proceedings of 21th International ISTT, No-Dig 2003, Los Angeles.

Prakash S. Buckling loads of embedded vertical piles//Computers and Geotechnics. -1987.- V.4.- pp.61-83.

Rosenblueth E. Point estimates for probability moments // Proc. Nat. Acad. Sc. USA. - 1975. - Vol. 72. - No. 10. - pp. 3812 - 3814.

Scherle M., Rohrvortrieb/Band 2:Statik, Planung, Ausführung. - Bauverlag GmbH: Wiesbaden, Berlin, 1977. - 613S.

Shimada H., Khazaei S., Matsui K. - Small diameter tunnel excavation method using slurry pipe-jacking// Geotechnical and Geological Engineering . - 2004. - v.22. -pp.161-186.

Shou K. J. □, Jiang J. M. - A study of jacking force for a curved pipejacking // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. -2010. - v.2. - No.4. - pp.298304.

Shou K., Yen J., Liu M. - On the frictional property of lubricants and its impact on jacking force and soil-pipe interaction of pipe-jacking// Tunnelling and Underground Space Technology. - 2010. - v. 25. - pp.469^177.

Shou K.-J., Yen J.-H. - On the behavior of a stuck curved pipe jacking// Journal of GeoEngineering. - 2010. - v.5. - No.3. - pp.77-85.

Staheli K. Jacking force prediction: an interface friction approach based on pipe surface roughness. - PhD thesis/ School of Civil and Environmental Engineering. -Georgia Institute of Technology, 2006. - 385p.

Staheli K., Frost D., Iscimen M. - Studies of interface friction between jacking pipe materials and frictional soils and the impact on jacking forces// NO-DIG 2006, Nashville, TN March 26-28, 2006 - Paper D-2-04 - 1, 1 lp.

Stein, D, Möllers, K, and Bielecki, R. Microtunneling— Installation and Renewal of Normal-Size Supply and Sewage Lines by the Trenchless Construction Method. Ernst & Sohn. Berlin, 1989.

74. Sugimoto M., Asanprakit A. - Stack pipe model for pipe jacking method// Journal of Construction Engineering and Management. - 2010. - vol. 136. - No. 6. - pp. 683692.

75. Yu C.H., Shanmugam N.E. Stability of frames with semirigid joints//Computers and Structures. - 1986. - v.23.-No.5.- pp.639-648.

76. Zhou J.-Q. Numerical analysis and laboratory test of concrete jacking pipes. - PhD thesis/ University of Oxford - Linacre College Trinity Term, 1998. - 249p.