Расчет параметров роторных механизированных проходческих щитов с учетом изменчивости свойств горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Слюсаренко, Валерий Евгеньевич

• Слюсаренко, Валерий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Слюсаренко, Валерий Евгеньевич

Введение

Основные результаты работы.

ГЛАВА 1 Обзор и анализ сооружения тоннелей механизированными щитами и тоннелепроходческими машинами (ТПМ).

1.1 Современное состояние щитовой проходческой техники.

1.2 Неоднородность и изменчивость скальных горных пород.

1.3 Породоразрушающий инструмент тоннелепроходческих механизированных машин и щитов.

1.4 Выводы. Цели и задачи исследований.

ГЛАВА 2 Особенности разрушения скальных горных пород дисковой шарошкой.

2.1 Обзор и анализ методик по расчету механизированных щитов.

2.2 Расчетная схема взаимодействия скального грунта и дисковой шарошки.

2.3 Анализ теорий прочности и обоснование критерия прочности

Мора - Кулона.

2.4 Теоретическое обоснование решения задачи внедрения режущей кромки шарошки в скальные горные породы забоя.

2.5 Анализ уравнений нелинейных огибающих предельных кругов

Мора.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3 Дискретная модель шарошки произвольного профиля в роторных проходческих щитах.

3.1 Предельное напряженное состояние скальных грунтов при внедрении шарошки произвольного профиля в забой.

3.2 Разработка алгоритма решения задачи взаимодействия шарошки и горной породы.

3.2.1 Построение поперечного профиля шарошки произвольного очертания.

3.2.2 Разбивка трехмерной дискретной сетки внедрения шарошки в породу.

3.2.3 Алгоритм расчета задачи взаимодействия шарошки и горной породы с определением параметров роторного органа щита.

3.3 Определение максимального интервала дискретной сетки с заданной погрешностью (тестовая проверка замены контактного предельного давления р на активное давление ц шарошки).

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4 Исследование посредством программы «018С-2» зависимости основных параметров роторного рабочего органа щита от действующих факторов и учет влияния изменчивости горных пород.

4.1 Программа «018С-2» расчета работы роторного рабочего органа щита с дисковыми шарошками произвольного профиля.

4.2 Исследование влияния действующих факторов на параметры роторного рабочего органа.

4.3 Условие прочности пород и методика учета влияния изменчивости их прочностных характеристик.

4.4 Статистическое решение задачи с примером расчета на заданную надежность.

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет параметров роторных механизированных проходческих щитов с учетом изменчивости свойств горных пород»

Актуальность работы: В настоящее время отмечается значительный прогресс в технологии щитовой проходки, успешно конкурирующей с горным и буро-взрывным методом при сооружении тоннелей в скальных грунтах. Заметный шаг в этом направлении был сделан в последние два десятилетия в связи с появлением новых типов проходческих щитов, основанных на использовании активного пригруза. Новые тоннелепроходческие агрегаты с роторным рабочим органом заметно расширили область применения щитовой техники, в том числе при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях. Расширению положительных качеств щитовой проходки способствовали такие возможности, как сооружение в смешанных грунтах без изменения общей технологии строительства, непрерывный высокопроизводительный цикл работ, высокий уровень автоматизации, сведение к минимуму воздействия на окружающую среду, безопасность строительства. «Машинный» способ работ основанный на механическом разрушении горных пород, как правило роторным рабочим органом проходческого агрегата, стал во многих случаях предпочтительнее по многим показателям, но проигрывает при малых скоростях проходки и при сложных формах тоннельного объекта. Присущая тоннелепроходческим комплексам механическая разработка забоя специальным породоразрушающим инструментом является определяющим фактором их конкурентоспособности, достижения высоких производительных показателей, длительной безотказной работы. Наиболее распространенным является шарошечный инструмент роторных тоннелепроходческих агрегатов, которые превалируют в техническом оснащении тоннельных строительных организаций. Шарошки (вращающийся резцовый инструмент), примененные вначале для тоннелепроходческих машин при сооружении горных выработок в устойчивых скальных грунтах, в настоящее время стали непременным атрибутом и для роторных щитов, предназначенных для мягких песчано-глинистых грунтов, в том числе с большим гидростатическим напором. Вооруженные шарошками и резцами, такие щиты существенно повысили свою универсальность. Убедительно продемонстрировал это щитовой комплекс при сооружении уникального Лефортовского тоннеля в г. Москве, заложенного как в слабых водонасыщенных мягких грунтах, так и в скальных известняках.

В тоже время обоснование использования механизированных щитов и комплексов в практике тоннелестроения делается обычно по качественным признакам, так как отсутствуют количественные оценки механических и технологических показателей их эксплуатации, которые могут быть однозначно и надежно определены лишь при условии знания процесса разработки забоя породоразрушающим инструментом. Последнее неразрывно связано со структурой, составом и физико-механическими характеристиками горных пород, отличающихся, как известно, широкой изменчивостью. Поэтому актуальной проблемой является исследование слабо изученной проблемы разработки забоя шарошками для надежной и обоснованной оценки в конечном счете механических и технологических показателей механизированных проходческих щитов в конкретных инженерно-геологических условиях. Учет изменчивости горных пород требует статистического подхода, а переход от усилий их разрушения к параметрам рабочего органа и щита - разработки специализированной компьютерной программы, способной обеспечить расчет и обобщение крупных статистических совокупностей многих параметров.

Цель работы и задачи исследований: целью является исследование задачи взаимодействия шарошечного инструмента и горной породы с разработкой алгоритма и программного продукта для расчета параметров тоннелепроходческих агрегатов.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

-обзор и анализ современного состояния мировой тоннелепроходческой техники с классификациями щитовых агрегатов и породоразрушающего инструмента;

-изучение неоднородности и изменчивости свойств горных пород применительно к работе шарошечного инструмента;

-теоретическое исследование взаимодействия шарошечного инструмента с горными породами, выбор эффективной теории прочности горных пород;

-разработка методики обоснования нелинейной теории предельного напряженного состояния горных пород на основе огибающих кругов Мора;

-разработка численного метода и алгоритма решения пространственной задачи разрушения пород шарошкой;

-разработка, на основе алгоритма с учетом ранее установленных теоретических исследований, компьютерной программы «Б18С-2» с интерфейсом;

-разработка статистической методики учета изменчивости горных пород при определении случайных параметров шарошки, механических и технологических характеристик тоннелепроходческих агрегатов;

-исследование методом математического моделирования характера зависимостей основных параметров проходческих агрегатов от основных влияющих факторов.

Научная новизна:

-впервые разработана методика обоснования нелинейной теории предельного напряженного состояния горных пород, применительно к теории прочности Мора-Кулона, развитой Г.А. Гениевым для объектов механики сплошной среды;

-разработан нетрадиционный численный метод и алгоритм решения пространственной задачи разрушения горных пород шарошкой произвольного профиля;

-разработана методика статистического расчета параметров шарошки и тоннелепроходческих агрегатов;

-на основе математического моделирования с применением программы «018С-2» получены ранее неизвестные графические зависимости параметров проходческих агрегатов, вооруженных шарошками произвольного профиля, от действующих факторов.

Достоверность результатов: обеспечивается использованием апробированных теорий прочности Мора-Кулона и нелинейной механики сплошной среды, проверкой по огибающим предельных кругов Мора предложений В. Соколовского, М. Протодьяконова и Г. Гениева, сравнением расчетных значений по программе «018С-2» и натурных показателей реальных тоннелепроходческих агрегатов.

Практическая ценность работы состоит в разработке программного продукта «018С-2» и методик статистического расчета, позволяющих, во-первых, осуществлять моделирование широкого круга проблем проходки тоннелей в скальных и полускальных грунтах щитами и агрегатами, вооруженными шарошками произвольного профиля; во-вторых, получать объективные количественные оценки параметров щитовых агрегатов для обоснованного их выбора при сооружении тоннелей в конкретных инженерно-геологических условиях с учетом изменчивости свойств горных пород; в-третьих, находить на стадии составления ТЭО и проектирования строительства тоннелей оптимальные решения при вариантной проработке технологических схем сооружения тоннелей, выборе рациональных конструкций щитовых комплексов на основе заданной надежности (доверительной вероятности) их работы.

Апробаиия работы и публикации: Основные результаты работы обсуждались на заседаниях: кафедры «Тоннели и метрополитены» с участием представителей кафедр «Строительная механика» и «САПР мостов и тоннелей», в Научно — исследовательском центре «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС, на Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» в г. Екатеринбург в 2004 г., на Международной научно — практической конференции «Городские подземные сооружения — опыт и возможности освоения подземного пространства на коммерческой основе» в 2004г. По результатам исследований, изложенных в диссертационной работе опубликованы 3 научные статьи.

Структура и объем работы: Диссертационная работа включает введение, 4 главы, выводы, список литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Слюсаренко, Валерий Евгеньевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные исследования и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Выполненный обзор и анализ современного состояния тоннелепроходческой щитовой техники показал значительные преимущества «машинного» способа сооружения тоннелей, который при высоких скоростях проходки вытесняет буровзрывной способ.

2. Основной породоразрушающий инструмент, применяемый в скальных грунтах, для тоннелепроходческих машин - дисковые шарошки, получил распространение как дополнительное средство в классе проходческих механизированных роторных щитов с активным пригрузом, обеспечивающий сооружение тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях.

3. Установлены основные взаимодействия дисковых шарошек с породной средой, кинематическое, силовое, неоднородность и изменчивость пород; напряженное состояние, разрушение пород.

4. Выявлено на основе анализа теорий прочности предпочтительность критерия Мора - Кулона для процесса разрушения пород и теории Г.А. Гениева для аналитического описания этого процесса. Разработана методика и проведено обоснование указанной нелинейной теории предельного напряженного состояния по данным авторитетных ученых В.В. Соколовского и М.М. Протодьяконова.

5. Разработан численный метод и алгоритм решения пространственной задачи разрушения горных пород дисковой шарошкой произвольного поперечного профиля адекватно реальному с построением дискретной сетки. Проведенное тестовое испытание обеспечило выбор предельных отклонений параметров расчета для заданной точности.

6. Аналитическое решение и полученный алгоритм позволили разработать компьютерную программу «018С-2» с графическими и файловыми интерфейсами. Проведение тестовых проверок программы показали обоснованность ее исходных теоретических положений и сходимость расчетных результатов с натурными показателями проходческих машин и щитов.

7. Разработанная методика статистического анализа изменчивости физико — механических характеристик горных пород дает возможность, с применением программы «018С-2», предварительного учета вероятностных отклонений механических и технологических параметров тоннелепроходческих машин и агрегатов в пределах установленного уровня надежности.

8. Проведенный широкий круг исследований по имитационному моделированию выявил качественный и количественный характер влияния воздействующих факторов на основные механические параметры и технологические показатели работы тоннелепроходческих агрегатов, в том числе: усилие подачи ротора на забой Р, кН; крутящий момент М, кНм и мощность роторного рабочего органа N. кВт, производительность по разработке породы С>у, м3/ч, скорость породы м/ч, удельную энергоемкость кВт-ч/м3

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Слюсаренко, Валерий Евгеньевич, 2004 год

1. Барон Л.И. Горно технологическое породоведение. — М.: Наука, 1977. -324 с.

2. Барон Л.И. Коэффициенты крепости горных пород. — М.: Наука, 1972. — 176 с.

3. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К., Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Научно методические основы. Разрушение резцовым инструментом. М.: Наука, 1968 г.

4. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Загорский С.Л., Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение шарошками. М.: Наука, 1969 г.

5. Барон Л.И., Курбатов В.М. О показателе относительной хрупкости горных пород. Изв. АН СССР, ОТН, Металлургия и топливо, 1959, №4.

6. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., «Высшая школа», 1961 г.

7. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность — машина. М.: Машиностроение, 1973. 520 с.

8. Беликов Б.П., Залесский Б.В., Розанов Ю.А., Санина Е.А., Тимченко И.П. Методы исследований физико-механических свойств горных пород. В сб.: Физико-механические свойства горных пород. М., Наука, 1964 г.

9. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. — М.: Стройиздат, 1961. 202 с.

10. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1971. — 255 с.

11. Бусленко Н.П. Метод статистического моделирования. — М.: Статистика, 1970.-112 с.

12. Бут Э.Д. Численные методы. М.: Физматгиз, 1959. - 280 с.

13. Валиев А.Г., Власов С.Н., Самойлов В.П. Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя проходки тоннелей в сплошных инженерно-геологических условиях. Москва: Т.А. Инжиниринг, 2003 -70с.

14. Вентцель Е.С., Теория вероятностей, Москва, 1992 г.

15. Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве. М., Стройиздат, 1973 г.

16. Гальянов A.B. Теоретические предпосылки количественной оценки изменчивости показателей. Изв. ВУЗов, Горный журнал, 1973, №1.

17. Гальперин М.И., Домбровский Н.Г. Строительные машины. М. Высш. школа, 1980.-344с.

18. Гениев Г.А. Вопросы прочности массивных конструкций из бетона и каменных материалов. Сб. Строительные материалы Вып.4. Москва: ЦНИИС Госстроя СССР, 1969, с. 185-265.

19. Гениев Г.А., Киссюк К.Н. Вопросы прочности массивных конструкций из бетона и каменных материалов // Сб. Строительные конструкции. Вып.4 // М.: ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 1969. 165 - 266 с.

20. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М. 1968.

21. Гудман Р. Механика скальных пород. М.: Стройиздат, 1987. - 232 с

22. Гмурман B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1972. -368с.

23. Грузоподъемные машины, Александров М.П. и др. М.: Машиностроение, 1986.-401с.

24. Дандуров М.И. «Тоннели», М., Трансжелдориздат, 1952.

25. Демешко Е.А., Мазурчик А.И. Проходческие щиты для сооружения тоннелей. Методические указания. М.: МИИТ 1987.-52с.

26. Демешко Е.А. Расчеты усилий разрушения горных пород дисковыми шарошками роторных проходческих щитов.//В сб. науч. трудов ДИИТа -Днепропетровск: ДИИТ, 2001-С.290-300.

27. Демешко Е.А. Слюсаренко В.Е. Пространственная дискретная модель шарошки произвольного профиля в роторных проходческих щитах.//В сб. науч. трудов Екатеринбург: 2004-с.

28. Информационно технический проспект ф. Ловат (Канада).

29. Информационно технический проспект ф. Херренкнехт (Германия).

30. Информационно технический проспект ф. Мицубиси (Япония).

31. Информационно технический проспект ф. Роббинс (США).

32. Испытания электрооборудования проходческого комплекса KT 1-5.6 // В.А. Гарькавий, Б.Г. Комаристов и др. // Труды ЦНИИС, 1977, вып. 102, с. 104- 108.

33. Каган A.A. Расчетные характеристики грунтов. - Москва: Стройиздат, 1985.-248 с.

34. Картозия Б.А. Механика подземных сооружений. М. МГИ, 1981г.

35. Клоракян В.Х., Ходош В.А. Горнопроходческие щиты и комплексы. — М.: Недра 1977-326с.

36. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1970. - 720 с.

37. Макаров О.Н., Меркин В.Е., «Транспортные тоннели и метрополитены», ТИМР, Москва, 1991г.

38. Маковский В.Л. «Тоннели», М., Изд. АсиА СССР, 1948г.

39. Маковский В.Л. «Сооружение тоннелей и метрополитенов за рубежом», Труды ЦНИИС, Вып.26, Трансжелдориздат, 1957г.

40. Маковский В.Л., Межиев П.И., Демешко Е.А., «Исследование некоторых вопросов герметической щитовой проходки тоннелей в неустойчивой водоносной среде под большим гидростатическим давлением», Сообщение №134 ВНИИ Трансп. Строительства, Москва, 1958г.

41. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М. Стройиздат, 1985г.

42. Маковский Л.В. Перспективы развития транспортного тоннелестроения. М. Транспорт, 1991г.

43. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. — М.: Машиностроение, 1968.-400с.

44. Маршак С.А., Самойлов В.П. Строительство подземных сооружений с помощью проходческих щитов: Учеб. для геолог. — строит, спец. ВУЗов. 5-е изд. стер. М.: Недра, 1967.-207с.

45. Машины и оборудование для проведения горизонтальных и наклонных горных выработок. Под. ред. Б.Ф. Братченко. -М.: Недра, 1975. -416 с.

46. Машины и оборудование для подземного строительства фирм Японии. Под. ред. H.H. Смирнова. М.: ТИМР, 1992. - 119 с.

47. Медков Е.И., Березанцев В.Г., Гольдштейн М.Н., Царьков A.A., «Механика грунтов, основания и фундаменты», Транспорт, Москва, 1970г.

48. Меркин В.Е., Маковский JI.B. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения М.:ТИМР, 1997.-192с.

49. Механика горных пород и крепление горных выработок / Под ред. Л.Н.Насонова. Москва: Недра., 1969.-330с.

50. Механика горных пород / Под ред. И.Н.Кацаурова. — Москва: Недра., 1981 .-166с.

51. Механические свойства грунтов / Под ред. М.Н.Гольдштейна. — Москва: Стройиздат., 1971.-367с.

52. Методические Указания "Проходческие щиты для сооружения тоннелей", М.,МИИТ, 1987г.

53. Нильва В.В., Карамышев М.И. и др., «Строительство подземных сооружений», Москва, 1991г.

54. Основы технологии горного производства / Под ред.Я.Э. Некрасовского. -Москва: Недра., 1981.-200с.

55. Проектирование строительства подземных сооружений / Под ред. B.JI. Попова. Москва: Недра., 1981.-285с.

56. Протодьяконов М.М. Обобщенное уравнение огибающих к предельным кругам Мора. Доклад науч. корд. Совещания по исслед. Физ. мех. свойств горных пород. Москва: Инст. Горн. Дела 1961-С.З-18.

57. Протодьяконов М.М. Материалы для урочного положения горных работ. 4.1. Изд- во ЦК горнорабочих СССР, 1926.

58. Протодьяконов М.М. Давление горных пород на рудничную крепь. -Горный журнал, 1909 т. III, кн. 8.

59. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М., Наука, 1964 г.60. "Руководство по сооружению перегонных тоннелей метрополитена", Москва, 1983 г.

60. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1954 г.

61. Руппенейт К.В. Механические свойств горных пород. М.: Углетехиздат, 1956 г.

62. Руппенейт К.В., Долгих М.А., Матвеенко В.В. Вероятностные методы оценки прочности и деформируемости гоных пород. М., Стройиздат, 1969 г.

63. Руппенейт К.В., Шейнин В.И. Некоторые статистические задачи расчета подземных сооружений. М.: Недра, 1969 г.

64. Соболь A.A. Метод Монте-Карло: Популярные лекции по высшей математике. 4-е изд. стер. М.: Наука, 1985.-80с.

65. Современные проблемы механики скальных пород в энергетическом строительстве / Под ред. В.Г. Газиева. Москва: Энерготомиздат., 1986.-92с.

66. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. Москва: Физматгиз, 1960.-243с

67. Соколовский В.В. Плоское предельное равновесие горных пород // Изв. АН СССР, OTH, 1948, № 9.

68. Справочник инженера-тоннельщика. Под редакцией Меркина В.Е., Власова С.Н., Макарова О.Н., М. Транспорт, 1993г.

69. Справочник по инженерной геологии. Отв. ред. М.В. Чуринов. М.: Недра, 1974.-325 с.

70. СНиП-П-44-78. Тоннели железнодорожные и автодорожные. М: Стройиздат, 1978.-21с.

71. Строительство подземных сооружений. Справочник. — М.: Недра, 1990 — 384 с.

72. Строительные машины. ч.1. Домбровский Н.Г. и др. М.: Машиностроение, 1976.-391 с.

73. Терцаги К. Теория механики грунтов, М., Госстройиздат, 1961г.

74. Теория пластичности бетона и железобетона / Г.А Гениев, В.Н.Киссюк, Г.А.Тюпин и др. Москва: Стройиздат, 1974.-316с.

75. Тимошенко С.П., Дж. Гере, «Механика материалов», Мир, Москва, 1976г.

76. Тоннели и метрополитены / В.П.Волов, С.Н.Наумов, А.Н.Пирожкова и др. Москва: Транспорт, 1975.-552с.

77. Тоннели и метрополитены / В.Г. Храпов, Е.А. Демешко, С.Н. Наумов и др. — Москва: Транспорт, 1989.-286с.

78. Тоннельные машины и тоннельный транспорт. Киселев С.Н., Часовитин П.А. и др. М.: Транспорт, 1976 - 288 с.80. «Тэннеру то тика» №1, Т.19.1988.-С. 7-11 (Яп.)81. «Тэннеру то тика».№3.т.20,1989.-С27-32(Яп.)82. «Тэннеру то тика».№4.т.20,1989.-С41-47(Яп.)

79. Туренский Н.Г.,Ледяев А.П. "Строительство тоннелей и метрополитенов. Организация, Планирование, Управление", М. , Транспорт, 1992г.

80. Турчанинов И.А., Медведев Р.В. Комплексное исследование физических свойств горных пород. JL, Наука, 1973.

81. Филоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности. М. 1961.

82. Хан Г., Шапиро С., Статистические модели в инженерных задачах, М., Мир, 1969г.

83. Херренкнехт М., Бапплер К. Новейшие достижения в развитии механизированных щитов. Международная науч практ. Конференция «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века - опыт и перспективы». М.:2002г.

84. Ходош В.А., Власов В.Н. Мировой технический уровень щитового способа сооружения тоннелей // Метрострой, 1990, №3, с. 31-33.

85. Шекари Язди А. Выбор оптимальных технических решений при щитовой проходке тоннелей в инженерно-геологических условиях, характерных для Ирана. Автореферат на соискание уч. ст. к. т. н. М.: МИИТ, 2001,24 с.

86. Эткин С.М., Симоненко В.М., «Сооружение подземных выработок проходческими щитами», Недра, Москва, 1980.

87. Berry N.S.M., Brown Y.W. Performance of full facers on Kielder Tunnels. Tunnels and Tunneling, July 1997. c. 35 - 39.

88. Tunnels and Tunneling, 1998.

89. Tunnels and Tunneling, 2000.

90. Tunnels and Tunneling, 2002

91. Tehran Main Drain, bu M.Smith.// World Tunneling, 1999,V. 12, № 2. c. 57 - 60.

92. TUNNELLING '91, Institution of mining and metallurgy, 1991r.

93. World Tunnelling, May 1997.6/ ■■05-5/313 ¿т

94. Министерство Путей Сообщения Российской Федерации Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)1. На правах рукописи

95. Слюсаренко Валерий Евгеньевич

96. Расчет параметров роторных механизированных проходческих щитов с учетом изменчивости свойств горных пород (том II)