Прогноз напряженно-деформированного состояния и оценка прочности сборных тюбинговых обделок перегонных тоннелей метрополитена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Карасев, Евгений Анатольевич

• Карасев, Евгений Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карасев, Евгений Анатольевич

Введение.

1. Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Инженерно-геологические условия строительства транспортных тоннелей Санкт-Петербурга.

1.2. Анализ методов расчета обделок транспортных тоннелей глубокого заложения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогноз напряженно-деформированного состояния и оценка прочности сборных тюбинговых обделок перегонных тоннелей метрополитена»

Актуальность работы. Метрополитен относится к важнейшим транспортным сооружениям городов, обеспечивающих основные перевозки пассажиров. Расчетный срок эксплуатации объектов метрополитена превышает 100 лет, что накладывает особые требования на проектирование и расчет его конструктивных элементов.

Строительство подземных сооружений метрополитена осуществляется в грунтовых массивах с различными прочностными и деформационными характеристиками, которые, как показывают данные натурных наблюдений, в значительной степени оказывают влияние на характер работы обделки. Перегонные тоннели, проводимые в сложных инженерно-геологических условиях, преимущественно закрепляются сборными тюбинговыми обделками из монолитного железобетона или чугуна.

Вопросы расчета обделки перегонных тоннелей рассмотрены в работах O.E. Бугаевой, Б.А. Картозия, Ю.А. Лиманова, М.О. Лебедева, Ю.С. Фролова, Д.М. Голицинского, В.А. Гарбера, А.Г. Протосени, Ю.Н. Айвазова, H.H. Фотиевой и других. Разработкой методик расчета сборных тюбинговых обделок в разные периоды времени занимались С.И. Самусенко, Г. Линк, Г.И. Чайка, Н.С. Булычев, А.Г. Оловянный и другие.

Вместе с тем, существующие методы расчета напряженного состояния сборных тюбинговых обделок не лишены недостатков. Тюбинговая обделка рассматривается как двухслойное кольцо, в то время как в реальности, оно представляет собой сложную ребристую конструкцию. Таким образом, существующие методы расчета позволяют только приближенно оценивать характер работы обделки. Поэтому актуальной задачей является выявление достоверного распределения напряжений в тюбинговой обделке, обеспечивающих надежную оценку ее прочности.

Цель диссертационной работы. Обеспечение прочности и несущей способности тюбинговых обделок перегонных тоннелей метрополитена, сооружаемых в грунтовых массивах различной прочности и деформативности, в том числе в дезинтегрированных зонах.

Идея работы. Расчет тюбинговых обделок перегонных тоннелей должен вестись с учетом конструктивных особенностей обделки, последовательности ее возведения, а также контактного взаимодействия между обделкой и массивом.

Основные задачи исследования:

• анализ существующих методов оценки напряженного состояния сборных тюбинговых обделок выработок круглого поперечного сечения;

• разработка геомеханической модели взаимодействия "массив-обделка" и выявление закономерности распределения напряжений в элементах сборной тюбинговой обделки;

• разработка методики оценки прочности тюбинговой обделки перегонного тоннеля метрополитена на основе решения пространственной задачи с учетом конструктивных особенностей тюбинговых обделок и технологии строительства тоннелей;

• оценка прочности сборных тюбинговых обделок.

Методы исследований: натурные наблюдения за состоянием конструкций подземных сооружений и характером формирования нагрузки на обделку перегонного тоннеля; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния сборной тюбинговой обделки методом конечных элементов; сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов.

Научная новизна работы:

• Установлены закономерности пространственного распределения напряжений в конструктивных элементах тюбинговых обделок в зависимости от деформационных характеристик грунтового массива, обделки и характера взаимодействия системы "обделка - грунтовый массив";

• Выявлен эффект наличия растягивающих тангенциальных напряжений на внутреннем контуре ребер в своде и лотке обделки, а также их отсутствия в спинке тюбингов при малых величинах модуля деформации грунтового массива и коэффициенте бокового распора X < 0.6.

Защищаемые научные положения:

• Пространственная геомеханическая модель для прогноза напряженно-деформированного состояния тюбинговых обделок перегонных тоннелей метрополитенов должна учитывать кроме деформационных характеристик массива и обделок, взаимодействие системы "обделкаI грунтовый массив", конструктивные параметры тюбингов и момент ввода в »работу тюбинговых колец;

• Прогноз тангенциальных растягивающих напряжений в шелыге свода тюбинговой обделки перегонных тоннелей с-помощью плоских моделей можно выполнять только в грунтах с модулем деформации 200 МПа.и более;

• Метод оценки прочности элементов тюбинговой обделки перегонных тоннелей метрополитена должен учитывать пространственное распределение напряжений, величины растягивающих тангенциальных напряжений в ребрах свода и, лотка обделки, максимальные сжимающие напряжения в боках ее внутреннего контура и прочностные характеристики материала обделки.

Практическая значимость работы: разработана методика оценки прочности тюбинговой обделки одиночных перегонных тоннелей, с учетом контактного взаимодействия системы "обделка - грунтовый массив" и начального зазора между обделкой и массивом, в том числе сооружаемых в дезинтегрированных зонах.

Достоверность и обоснованность научных положений п\ рекомендаций: обеспечивается натурными исследованиями состояния обделок перегонных тоннелей, использованием современных методов геомеханики, численного моделирования, достаточной- сходимостью величин расчетных и натурных данных. ' ■

Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной научно-практической- конференции "Современные проблемы геодинамической безопасности: при освоении месторождений полезных ископаемых", Санкт-Петербург, 2009; на международной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения", Воркута, 2010; на. заседаниях кафедры ' строительства горных предприятий и подземных сооружений СГ1ГГИ (ТУ) и получили одобрение. Личиый вклад автора заключается:

• в разработке геомеханической модели- взаимодействия тюбинговой обделки перегонного, тоннеля, с грунтовым- массивом в объемной постановке, с учетом их контактного взаимодействия;

• в проведении численного моделирования формирования напряженного . состояния в сборной тюбинговой обделке перегонного тоннеля метрополитена;

• в оценке прочности сборной тюбинговой обделки, располагаемой в грунтах с различными деформационными, свойствами;

• в проведении натурных наблюдений за состоянием обделки перегонных тоннелей;

Публикации. По. теме: диссертационной работы опубликовано 4 печатные работы в вузовских; и межвузовских сборниках научных трудов, из них 2 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России. Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит .4 главы, введение и заключение, список.'используемой литературы -из 73 наименований,. 91 рисунок, 8 таблиц, 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Карасев, Евгений Анатольевич

Заключение

В работе содержится решение актуальной для подземного строительства задачи прогноза напряженно-деформированного состояния сборных тюбинговых обделок метрополитенов, имеющей важное народнохозяйственное значение:

1 .Разработана геомеханическая модель взаимодействия тюбинговой обделки перегонного тоннеля метрополитена с грунтовым массивом в объемной постановке с учетом их контактного взаимодействия, и выполнено численное моделирование формирования напряженного состояния в сборной тюбинговой обделке.

2.Выявлен эффект наличия при малых величинах модуля деформации грунтового массива и коэффициенте бокового распора X < 0.6, растягивающих тангенциальных напряжений на внутреннем контуре ребер в своде и лотке обделки и их отсутствии в спинке тюбингов.

3.Выполнен сравнительный анализ результатов расчета напряженного состояния обделки в объемной и плоских постановках. Определен диапазон рационального применения упрощенных, основанных на плоских решениях, методов анализа напряженного состояния обделки.

4.С помощью данных натурных исследований установлено, что образование трещин в тюбинговой обделке перегонного тоннеля наблюдается в своде и лотке обделки на дезинтегрированных участках грунтового массива.

5.Разработана методика оценки прочности обделки перегонных тоннелей метрополитена на основе решения пространственной задачи с учетом конструктивных особенностей, присущих тюбинговым обделкам. Проведена оценка прочности сборной тюбинговой обделки, располагаемой в грунтах с различными деформационными свойствами.

6.Предложена и разработана модель трещинообразования в шелыге свода обделки перегонных тоннелей метрополитенов в дезинтегрированных грунтовых массивах. Выполненное сравнение участков образования трещин, полученных по результатам математического моделирования и по данным натурных исследований, показало их согласие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карасев, Евгений Анатольевич, 2010 год

1. Ау с ленд ер В. Г., Яновский A.C., Кабаков Л.Г., Плешивцева Э.С. Новое в геологии Санкт-Петербурга.//Минерал, 2002, №1(4), с.51-58.

2. Верхний протерозой Русской платформы (рифей венд). В кн. Очерки по региональной геологии СССР. М., МГУ, 1968, вып.З, 238 с.

3. Геология СССР том 1 / под редакцией А.В.Сидоренко/. — Москва. Недра, 1975.

4. Усикова Т.В., Малясова Е.С., Клейменова Г.И. Стратиграфия и палеогеография верхнего Плейстоцена района Ленинграда. — В кн. Проблемы палеогеографии. Л., ЛГУ, 1965, с. 148-139.

5. Знаменская О.М. Стратиграфия мгинского межледниковья// Доклады Академии наук СССР, 1959, т. 129,№2, с.401-404.

6. Коротков А.И., Боровицкий Б.В., Николаев A.C., Петров В.В., Блохин В.А. Полюстровское месторождение минеральных вод. // Вопросы геоэкологии Северо Запада России //. 1998.

7. Николаев A.C., Егорова И.В., Сергеев Д.В. Подземные воды Санкт-Петербурга //Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2005 году, СПб, 2006,с.188-196.

8. Менжинская В.В. Ленточные глины, как основание для сооружений на территории Приневской низменности // Вопросы инженерной геологии Ленинградского экномического района, Л., 1960, с. 30-39.

9. Фурса В.М., Александрова В.М. Физико-механические свойства литориновых отложений распространенных на территории Ленинграда // Вопросы инженерной геологии Ленинградского экномического района, Л., 1960, с. 24-29.

10. Ю.Бузкова М.С., Астратова Н.П., Бабухин В.Н. «Инженерно-геологические условия расположения Александро-Невского моста» //Вопросы инженерной геологии Ленинградского экономического района. Л.: Центральное бюро технической информации, 1960. с. 109-122.

11. Н.Алексеев A.B., Нагорный С.Я., Рютина Т.П. Оценка физико-механических свойств верхнепротерозойских глин, как среды строительства подземных сооружений Санкт-Петербурга и использования щелевой крепи. АО "Тим", С-Пб, 1993.

12. Бажин Н.П. Итоги комплексных геомеханических исследований кембрийских глин. // Межвузовский сборник научных трудов "Устойчивость и крепление горных выработок". СПб, СПГГИ, 1999. С. 5861.

13. Бажин Н.П., Петров В.А., Карташов Ю.М., Баженов А.И. Результаты исследования физико-механических свойств кембрийских глин. в кн. Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. ВНИМИ, Л.: Недра, 1964. С. 49-63.

14. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. М., Недра, 1979.

15. Кремнева Р.Н. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия сооружения Ленинградского метрополитена. В сб. "Вопросы инженерной геологии Ленинградского экономического района". ЦБТИ, Л., 1960.

16. Ломтадзе В.Д. Инженерно-геологическая характеристика и оценка пород Ленинграда. Отчет по НИР. Фонды СПбГГИ, 1967.

17. Ломтадзе В.Д. Исследования, деформируемости кембрийских глин, вскрываемых горными выработками Ленинградского метрополитена. Отчет. Л., ЛГИ, 1957.

18. Айвазов Ю.Н. Взаимодействие породного массива с обделкой // Метрострой. 1983. - №6. - С. 15-17.

19. Айвазов Ю.Н., Кривошлык А.И. О влиянии продвижения забоя на перемещения контура круговой протяженной выработки // Тоннели и метрополитены. — Л.: ЛИИЖТ, 1982. — вып.711. С.63-70.

20. Айвазов Ю.Н. Расчет тоннельных обделок, обжатых в породу. К.: Изд. КАДИ, 1978.-108с.

21. Алимжанов М.Т. Об одной модели работы горного массива вблизи выработки. В кн.: "Вопросы механики горных пород". М., Недра, 1971. С.18-21.

22. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М., Недра, 1984, 415 с.

23. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М.: Недра, 1979.- 283 с.

24. Бокий Б.В., Обручев Ю.С., Протосеня А.Г. Расчет нагрузок на крепь вертикальных стволов при больших глубинах. "Шахтное строительство" № I, 1974, С.2-6.

25. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М., Недра, 1974, 320 с.

26. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М., Недра, 1981, 270 с.

27. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учеб. Для вузов.-2-e изд., перераб. и доп.-М.: Недра, 1994.-382 с.

28. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986.-288с.

29. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок / Г.А. Крупенников, Н.С. Булычев, A.M. Козел и др. М., Недра, 1966.

30. Лебедев М.О. Контроль за напряженно-деформированным состоянием конструкций перегонных тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена. Том 2. Отчет о научно-исследовательской работе. Договор №2222. С-Пб, Ленметрогипротранс, 2001.

31. Лебедев М.О., Крюковский Ю.А. Контроль за напряженно-деформированным состоянием конструкций перегонных тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена. Отчет о научно-исследовательской работе. Договор №2222. С-Пб, Ленметрогипротранс, 2001.- 128с.

32. Лебедев М.О. Расчет нагрузок на обделку одиночных тоннелей заложенных в протерозойских глинах / Известия высших учебных заведений. Горный журнал. Свердловск, 2001, №2. С. 53-56.

33. Протосеня А.Г., Лебедев М.О. Постановка задач по расчету напряженного состояния около выработок // Межвузовский сборник научных трудов "Устойчивость и крепление горных выработок". С-Пб, СПГГИ, 1999. С. 115-118.

34. Протосеня А.Г. О постановке задач по расчету нагрузок на капитальные выработки и тоннели. // Устойчивость и крепление горных выработок. Крепление и поддержание горных выработок. / Санкт-Петербургский горный институт. С-Пб, 1992. С.4-8.

35. Сивцов A.A. Разработка метода расчета обжатых обделок подземных сооружений с учетом контактного давления взаимодействия с массивом пород. Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.т.н., Тула, 1992.-18с.

36. A.F.T.E.S.: Working Group no. 7 — Temporary Supports and Permanent Lining. Considerations on the usual methods of tunnel lining design. Tunnel et Ouvrages Souterrains. No. 90 (Suppl.) (1988), pp.337-357.

37. Duddeck, H. and Erdmann, J.: Structural Design Models for Tunnels. Tunnelling '82, Proc.: 3rd Int. Symp. Institution of Mining and Metallurgy, 1982, pp.83-91.

38. Duddeck, H.JErdman, J. 1985. On Stuctural Design Models for Tunnels in Soft Soil. Underground Space, vol. 9, Nr. 5-6, pp. 246 253.

39. T. Iftimie. 1996 A contribution to the concept and structural analysis of precast circular linings for shield driven tunnels. Ph. D. Thesis, Bucharest, Romania.

40. T. A. Working Group No. 2. 2000. Guidelines for the design of shield tunnel lining. Tunnelling and Underground Space Technology 15(3):303-331.

41. Link H. Uber die Vurbundwirkung in Schachtauskleidungen. "Gluckauf',1954, H. 23/24, S. 581-590.

42. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1975.

43. David,V. Hutton. Fundamentals of finite element analysis. ISBN 0-07-2395362. McGrawHill, 2004.

44. Robert D. Cook. Finite Element Modeling for Stress Analysis. ISBN 0-47110774-3. John Wiley & Sons, Inc. 1995.

45. Crisfield M.A. Non-Linear Finite Element Analysis of Solids and Structures. Volume 1. ISBN 0-471-92956-5. John Wiley & Sons, Inc. 2000.

46. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

47. Alan Muir Wood. Tunneling Management by Design. Taylor & Francis, 2000

48. Augarde, C.E., Burd, H.J., and Houlsby, G.T. (1995). A three-dimensional finite element model of tunnelling. In: Proc. 5th Int. Sympos. on Numerical Models in Geomechanics (NUMOG V), Davos, Switzerland, 6-8 September. Rotterdam: Balkema, 457-462.

49. Bhawani Singh. Tunneling in Weak Rock. Elsevier, 20065&E1 Nahhas, F., El Kadi, F. and Ahmed, A. (1992). Interaction of tunnel linings and soft ground. Tunnelling and Underground Space Technology, 7(1).

50. D. Kolymbas. Tunneling and Tunnel Mechanics: A Rational Approach to Tunneling. Springer. 2005.d&Pietro Lunardi. Design and Construction of Tunnels. Springer, 2008.

51. Potts, D.M & L. Zdravkovic. Finite element analysis in geotechnical engineering Theory. Thomas Telford. 1999.

52. Potts, D.M & L. Zdravkovic. Finite element analysis in geotechnical engineering Application. Thomas Telford. 2001.

53. Vittorrio Cuglielmetti, etc. Mechanized Tunneling in Urban Areas Design Methodology and Construction Control. Taylor & Francis, 2008.

54. R. Huang. The Shanghai Yangtze River Tunnel. Theory, Design and Construction. Taylor & Francis, 2008.

55. Гарбер В.А. Долговечность тоннельных конструкций в условиях эксплуатации и городского строительства // Метрополитен // Научно-исследовательский центр "Тоннели и метрополитены" АО ЦНИИС, М., 1998.

56. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры

57. Lee, J., and G. L. Fenves, "Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures," Journal of Engineering Mechanics, vol. 124, no. 8, pp. 892-900, 1998.

58. Lubliner, J., J. Oliver, S. Oiler, and E. Onate, "A Plastic-Damage Model for Concrete," International Journal of Solids and Structures, vol. 25, pp. 299-329, 1989.

59. Belytschko, Т., and T. Black, "Elastic Crack Growth in Finite Elements with Minimal Remeshing," International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 45, pp. 601-620, 1999.

60. Sukumar, N., and J.-H. Prevost, "Modeling Quasi-Static Crack Growth with the Extended Finite Element Method Part I: Computer Implementation," International Journal for Solids and Structures, vol. 40, pp. 7513-7537, 2003.

61. СНиП 11-94-80. Подземные горные выработки.