Совершенствование конструктивно-технологических параметров опережающих экранов из труб при строительстве транспортных тоннелей в сложных горно-геологических условиях Таджикистана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат наук Шарифов Симбод Амзалиевич

• Шарифов Симбод Амзалиевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Шарифов Симбод Амзалиевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ОПЫТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

1.1. Общие положения

1.2. Особенности горно-гсологичсских и климатических условий Таджикистана

1.3. Опыт проектирования и строительства автодорожных тоннелей в Таджикистане

1.4. Горно-геологический мониторинг при строительстве и эксплуатации тоннелей

1.5. Мировой опыт проектирования и строительства транспортных тоннелей в сложных горно-геологических условиях

1.6. Современный опыт строительства тоннелей с использованием опережающих крепей

Выводы по главе

ГЛАВА II. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ ИЗ ТРУБ

2.1. Общие положения

2.2. Методы расчета на основе строительной механики и механики грунтов

2.3. Аналитические методы

2.4. Экспериментальные методы исследования

2.5. Численные методы расчета

2.5.1. Основные характеристики конечно - элементной модели

2.5.2. Основные свойства материалов для моделирования нарушенного грунтового массива

Выводы по главе

Задачи исследований

ГЛАВА III. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ В ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫХ МАССИВАХ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

3.1. Общие положения

3.2. Разработка численной модели системы «тоннель - массив»

3.3. Исходные данные

3.4. Планирование численного эксперимента

3.5. Результаты численных исследований

3.6. Влияние прочностно-деформационных параметров на НДС обделки

3.7. Влияние геометрии разлома на НДС крепи

3.8. Влияние метода разработки забоя на НДС крепи

3.9. Статистическая обработка результатов исследований

Выводы

ГЛАВА IV. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ ИЗ ТРУБ ПРИ ПРЕОДОЛЕНИИ ЗОН ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ

4.1. Общие положения

4.2. Разработка численной модели системы «тоннель-экран-массив»

4.3. Планирование численного эксперимента

4.3.1. Тестовый расчет

4.4. Исследование НДС защитного экрана из труб при разработке забоя

4.5. Распределение внутренних усилий в трубах экрана

4.6. Исследование влияния защитного экрана на НДС обделки тоннеля

4.7. Влияние защитного экрана из труб на перемещение в забое тоннеля

Выводы по главе

ГЛАВА V. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ОПЕРЕЖАЮЩИХ КРЕПЕЙ ПРИ ПРЕОДОЛЕНИИ ЗОН ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ В УСЛОВИЯХ ТАДЖИКИСТАНА

5.1. Общие положения

5.2. Рекомендации но выбору основных параметров защитного экрана из труб в сложных горно-геологических условиях

5.3. Рекомендуемая технология разработки забоя и устройства защитного экрана из труб

5.4. Технико - экономическая эффективность применения защитных экранов из труб

Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструктивно-технологических параметров опережающих экранов из труб при строительстве транспортных тоннелей в сложных горно-геологических условиях Таджикистана»

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия происходит интенсивное развитие транспортного тоннелестроения, обусловленное расширением сети автомобильных дорог, увеличением объемов пассажирских и грузовых перевозок, дальнейшим совершенствованием транспортной инфраструктуры [25]. Наряду с гидроэнергетикой и горнорудной промышленностью дороги играют важную роль в развитии Таджикистана. Государством придается огромное значение развитию автомобильных дорог, а также тоннелей, позволяющих обеспечить круглогодичную связь центра республики со всеми регионами [8]. Этого требует и растущая потребность в перевозке народно-хозяйственных грузов, людей и связей между соседними государствами. Уже сегодня это проблема решается довольно успешно, о чем свидетельствуют реабилитация автомобильных дорог Душанбе -Чанак, Душанбе - Турсунзаде, Душанбе - Кульма, Душанбе - Курган-Тюбе - Дусти и дрг. которые включают в себя многочисленные инженерные сооружения, в том числе, автодорожные тоннели. Общая протяженность автомобильных дорог Республики Таджикистан на 2017 год составила 14172 км, а их плотность на 1 ООО кв. км -187 км. На сегодняшний день на автомобильный транспорт в республике приходится более 85% перевозки грузов [11, 12]. Общая длина автодорожных тоннелей включая вентиляционно-дренажные тоннели составляет 28,5 км, а общая длина железнодорожных тоннелей 3,65 км. В республике построены также более 130 км гидротехнических тоннелей. При проектировании, строительстве и эксплуатации тоннелей необходимо решать сложные научные, инженерные и экологические задачи с использованием новейших достижений науки и техники. Тоннели являются весьма дорогостоящими сооружениями, строительство которых требует всестороннего обоснования. Обязательными условиями при строительстве транспортных тоннелей горным способом является устройство временного крепления выработки. Для временного крепления подземных выработок в настоящее время взамен громоздких и материалоемких деревянных крепей применяют облегченные виды контурной крепи: арочную, анкерную и набрызг-бегонную. В зонах тектонических нарушений и на участках слабоустойчивых

пород весьма эффективна опережающая крепь [27]. Для обоснованного проектирования и строительства автодорожных тоннелей под защитой опережающих крепей в сложных горно-геологических условиях Таджикистана необходимо проведение научных исследований, по результатам которых должны быть разработаны предложения и рекомендации, направленные на обеспечение безопасности и надёжности при строительстве и эксплуатации тоннелей.

Актуальность темы Актуальность темы диссертационной работы определяется возрастанием объемов строительства транспортных и гидротехнических тоннелей в сложных горно-геологических условиях Республики Таджикистан. Горно-геологические условия республики характеризуются многочисленными тектоническими разломами, которые при строительстве тоннелей традиционными методами часто приводят к аварийным ситуациям, увеличению сроков и стоимости строительства, что требует применения эффективных методов, в том числе защитных опережающих крепей. Эффективность данной технологии, подтверждается её применением в мировой практике тоннелестроения, однако в Таджикистане отсутствуют нормативные документы, регламентирующие требования к конструированию, расчету и возведению опережающих крепей в сложных горногеологических условиях. В связи с этим необходимо проведение исследований по установлению рациональных параметров опережающих крепей и разработка практических рекомендаций по их применению.

Степень разработанности темы исследования

Вопросы внедрения и совершенствования технологии строительства транспортных тоннелей с помощью опережающих крепей, встречается в работах многих ведущих советских и российских специалистов Безродного К.П., Бессолова П.П., Бочарова В.Ф., Веселовского В.Н., Власова С.Н., Воробьева Л.А., Гарбера В.А., Колина Д.И., Маковского Л.В., Меркина В.Е., Милова В.Г., Старчевской Л.Л., Туренского С.Н., Чеботаева В.В., Чеботарева C.B., Щекудова F.B. и др. За рубежом методика расчета опережающих крепей отражены в работах

Attewell P.B., Yeates J. Selby A.R. (Англия), G.M. Volkman, Shubert W.A. (Австрия), P.P. Orcsta, D. Pcila (Италия), John M, Mattlc В. (Словакия), Gary W. Rhodes, Joseph L. Kauschinger (США), N. Vlachopoulos, M. Diederiches, J. Oke, (Канада), I. Ocak (Турция), E. Jahangir, J.P. Janin (Франция), Ki-Il Song, Kim S.H, Gye-Chun Cho, Seok-Bue Chang, In-Mo Lee (Южная Корея), I. Harazaki, H. Anon, A. Matsuda, T. Aoki, Y. Hakoishi (Япония) и др.

Анализ современного мирового опыта проектирования и строительства транспортных тоннелей в сложных горно-геологических условиях дает основание сформулировать цель и задачи исследования.

Цель и задачи исследования

Цель исследования: Обоснование конструктивно-технологических параметров опережающих крепей в виде защитных экранов из труб в сложных горно-геологических условиях Таджикистана и выявление закономерностей поведения конструкции тоннеля во взаимодействии с породным массивом на различных этапах строительства.

Объект исследования: Транспортные тоннели, пресекающие тектонически нарушенные зоны.

Предмет исследования: Напряженно - деформированное состояние породного массива и обделки при проходке тоннеля через тектонически нарушенные зоны.

Задачи исследования:

• разработка в геотехническом профаммном комплексе Midas GTS NX имитационной трехмерной модели «тоннель-экран-массив» на участках нарушенной зоны по трассе автодорожного тоннеля Хатлон для исследования напряжено-деформированного состояния (НДС) конструкции тоннеля и горного массива с учетом физико-механических свойств грунтов разлома, его ширины и угла раскрытия по отношению к оси тоннеля;

• установление зависимостей перемещений и напряжении в тоннельной обделке без опережающего экрана из труб и с экраном от геометрических, инженерно -геологических и технологических факторов на участке разлома.

• разработка рекомендации по результатам исследований по применению опережающих экранов из труб при строительстве транспортных тоннелей глубокого заложения в сложных горно-геологических условиях Таджикистана.

М етод м и с с л ед о в а н и й Для исследования (НДС) конструкции тоннеля и грунтового массива в тектонических разломах проведены численные эксперименты методом математического моделирования. Для создания трехмерной математической модели «тоннель-экран-массив» использовался геотехнический программный комплекс (Г1К) Midas GTS NX па основе метода конечных элементов (МКЭ). Результаты численных расчетов обработаны статистическим методом экспоненциальной регрессии.

Научная новизна исследования

• впервые в практике тоннелестроения Таджикистана исследована работа обделки и опережающей крепи тоннелей в виде защитного экрана из труб в сложных горно-геологических условиях, в частности, в тектонических разломах;

• разработана математическая модель в трехмерном пространстве и исследовано влияние тектонических разломов на НДС массива и конструкции обделки тоннеля в зависимости от физико-механических свойств горной породы, ширины и угла раскрытия по отношение к оси тоннеля;

• разработана математическая модель «тоннель-экран из труб-массив» при строительстве тоннелей глубокого заложения;

• выявлены закономерности поведения конструкции тоннеля во взаимодействии с породным массивом на различных этапах строительства;

Практическая и теоретические значимости работы составляют:

• создана трехмерная модель системы «тоннель - массив» на участке зон разлома в ПК Midas GTS NX;

• создана трехмерная модель «тоннель-экран из труб-массив» в Г1К Midas GTS NX;

• разработаны рекомендации по проектированию транспортных тоннелей глубокого заложения с применением защитных экранов из труб в сложных горно-гсологичсских условиях

Достоверность полученных результатов обоснована:

• учетом требований действующих нормативных документов;

• применением геотехнического программного комплекса Midas GTS NX апробированного в многочисленных исследованиях подземных сооружений;

• использованием реальных инженерно-геологических данных при моделировании.

Апробация работы и публикации Основные результаты работы доложены и одобрены:

• на международной научно-практической конференции «Дороги-СНГ: проблемы и перспективы», Москва, МАДИ, 11 декабря 2017 г.;

• па 76-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, Москва, 29 января - 3 февраля 2018 г.;

• на 77-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, Москва, 28 января - 2 февраля 2019 г.;

Автор также принял участие в следующих конференциях:

• на 4-й Пользовательской конференция Midas на тему «Современные технологии по расчетам подземных и надземных сооружений», Москва, 14 ноября 2017 г.;

• на всемирном молодежном форуме в Египте, Шарм-Эль Шейх, 1 ноября - 7 ноября 2018 г.;

По материалам исследования опубликовано 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников 91 наименований, в том числе 39 на английском языке и содержит 141 страницу основного текста, 92 рисунков, 16 таблиц и 1 приложение.

ГЛАВА I. ОБЗОР ОПЫТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

1.1. Общие положения

Вопросы проходки тоннелей в сложных горно-геологических условиях приобретают особую актуальность для транспортного тоннелестроения, так как районы строительства автодорожных и железнодорожных тоннелей характеризуются, как правило, большим количеством геологических нарушений, наличием слабоустойчивых и неустойчивых пород с коэффициентом крепости ^0,5 - 5 и большим притоком подземных вод [45]. В соответствии с действующими нормами проектирования [34, 37] сложными инженерно-геологическими условиями считаются: наличие слабых пород, не оказывающих сопротивления деформациям обделки под нагрузкой; наличие водоносных пород при гидростатическом давлении более 0,1 МПа; наличие слабых полускальных и скальных сильнообводнснных пород с притоком воды более 200 м3/ч на забой; величина прогнозируемого горного давление на обделку более 0,6 МПа; сейсмичность. Большинство из вышеперечисленных условий можно встретить при нарушенных тектонических структурах сплошности, к которым относятся сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги, разломы. На сегодняшний день в практике тоннелестроения накоплен большой опыт строительства горных автодорожных тоннелей. Среди крупнейших горных автодорожных тоннелей можно выделить тоннель Лаердал длиной 24,5 км в Норвегии, два параллельных тоннелей длиной по 19,6 км через Тюрингский лес в Германии, два параллельных тоннеля Чжуннаньшань длиной 18,02 км в Китае, Готардский тоннель длиной 16,9 км в Швейцарии, тоннель Монблан длиной 11,61 км между Францией и Италией, два параллельных тоннеля Хида длиной по 10,75 км в Японии и др [25, 26].

1.2. Особенности горно-геологических и климатических условий

Таджикистана

Республика Таджикистан расположена на юго-востокс Средней Азии. С севера и севера запада она граничит с Республикой Киргизстан и Узбекистаном, с юга с Афганистаном и с востока с Китаем. Площадь ее территории составляет 143,1 тыс. км Около 93% территории Таджикистана занимают горные хребты Тянь - Шаня и Памира высотой от 300 м до 7495 м над уровнем моря, имеющие сложное гсологичсскос строение, которое обусловлено местом расположения на стыке двух крупнейших геосинклинально-складчатых подвижных поясов - Урало-Монгольского и Средиземноморского [30]. В складчатых областях выделяются пять регионов, - Северный (Кураминская зона), Северо-восточный (Ферганская впадина), Центральный (Гиссаро - Алай), Юго-западный (Таджикская впадина) и Юго-восточный Таджикистан (Памир). Территория страны покрыта многочисленными тектоническими нарушениями в виде разломов (рис. 1.1) и относится к области повышенной сейсмичности (рис. 1.2).

£ > Существующие разломы "Ок^Ёг^ - Предполагаемые разломы

¡¿рт - Разломы скрыгнс под четвертичным

образованием

Рис. 1.1. Геологическая карта разломов Таджикистана

Рис. 1.2. Карта сейсмической опасности территории Таджикистана в баллах шкалы М5Х-64

Таджикистан изолирован от мирового океана и его климат считается резко континентальным, в целом субтропической со значительными суточными и сезонными колебаниями температуры воздуха, малым количеством осадков, сухостью воздуха и малой облачностью. Средняя температура в январе колеблется от +2-2°С , в долинах и предгорьях юго-запада и севера республики до -20°С и опускается ниже на Памире. Абсолютный минимум температуры достигает -63 °С на Памире (Булункуль). В июле, средняя температура составляет от 30°С в пониженных долинах юго-запада до 0°С и ниже на Памире. Абсолютный максимум температуры составляет 48°С (Нижний Пяндж) [ 17].

1.3. Опыт проектирования и строительства автодорожных тоннелей в

Таджикистане

На пространстве СНГ наиболее протяженные горные автодорожные тоннели построены в Таджикистане, в том числе тоннели Шахристан длиной 5,25 км, Истиклол 5,04 км, Дусти 1,05 км, которые расположены на автотрассе Душанбе-Худжанд. Так же на автодороге Душанбе-Кульма построены тоннель Хатлон длиной 4,45 км и тоннель Озоди длиной 2,25 км. Автодорожные тоннели Истиклол

и Шахристан имеют вентиляционио - дренажные штольни длиной соответственно 5,05 и 5,2 км. В ближайшие 10 лет в Таджикистане планируется строительство 3-х автодорожных тоннелей на автомобильной дороге Душанбе-Кульма, один автодорожный тоннель на обходной дороге зоны водохранилища Рогунской ГЭС и 16 км железнодорожных тоннелей на участке Вахдат - Карамык. Автодорожный тоннель Истиклол (Апзоб) был спроектирован еще в Советское время Таджикгипротрансом, все другие вышеназванные тоннели были построены в годы независимости республики и спроектированы Гидропроектом (Москва), China Road and Bridge Corporation (Китай), Sobir International (Иран) и 19 China Railway group (Китай) [12, 15, 61]. Строительство и эксплуатация транспортных тоннелей в тектонически нарушенных грунтах представляют собой сложную инженерную проблему. Актуальность этой проблемы обусловлена достаточно широким распространением в Таджикистане тектонически нарушенных фунтов в виде сбросов, взбросов, разломов и сдвигов.

а)

<: ■ Л, А

■ * ^:4 • •■••J -i \ • " " —* >

•/ • . ч

4 " • f <

■ '• "1' У "А ■ ' / ' И ^

б)

Щш fcf

/

-___,. ..

■ ' I м I

тШШШШМЙШ'ШШ -

I

сланцы Допсмиш. Киты спрослея- Имистеяки с редадгхщ Гипсы с мало- рдерымш

юьчЧ'Тиям! ми »пмстияко* до ми.к*юшиымн (до 0,$ wuuiwmл лрдело- тсэстоюмсжю

^MMOuoiccnt м)лрбслш>|глмя лсломюта. шлрутеюм

известняков.

ПССЧЯ-41(К1>*

Рис. 1.3. Продольные разрезы по оси тоннеля Истиклол (а) и Озоди (б)

а)

б)

I м! т м 8 м! 1 м Iи;;; м м 8 м т т £; и т т п м т; и ! н 1

В)

Рис. 1 .4. Основные тектонические нарушения по трассе тоннеля Хатлон (а) поверхностный эффект (б) и оползневая зона (в), вызванная действием

разлома Кавдон (Шорак).

Горно-гсологичсскис условия проходки тоннелей также характеризуется многочисленными тектоническими нарушениями (рис. 1.3). По трассе автодорожного тоннеля Хатлон были обнаружены 13 разломов, некоторые из них были определены по картам и аэрофотоснимкам, которые имеют поверхностный эффект, например разлом Кавдон (Шорак) (рис. 1.4). Забой автодорожного тоннеля Хатлон в слабых трещиноватых породах разрабатывался под защитой опережающих анкеров в виде трубчатых перфорированных элементов длиной 4,5 м и диаметром 42 мм в сводовой части под углом 10-20° (рис. 1.5). Нагнетали раствор через перфорированные элементы, а затем ставили податливые металлические арки в виде двутавра №20 с шагом 0,70 м; далее по своду и стенам

устанавливали анкера длиной 3,5 м, закрепленные цементно-песчаиым раствором, между арками устанавливали металлическую сетку из стержней диаметром 8 мм с ячейками 150x150 мм; затем наносили слой набрызг-бетона толщиной 25 см.

¿Ь0<?

Рис. 1.5. Поперечное сечение тоннеля Хатлон (а) и конструкция перфорированных анкеров (б); 1 - опережающие трубчатые перфорированные анкеры; 2 - радиальные стержневые анкеры; 3 - арка из двутавров 120; 4 - набрызг-бетон толщиной 25 см; 5 - монолитный бетон толщиной 45 см; 6 отверстие диаметром 8 мм для нагнетания цементного раствора; 7 пробка для удержания цементного раствора

Заканчивали работы разработкой обратного свода экскаватором и нанесением набрызг-бстона толщиной 25 см. Постоянная обделка была выполнена из монолитного бетона толщиной 45 см (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Разработки забоя тоииеля Хатлон в неустойчивых грунтах: 1 -опережающие трубчатые перфорированные анкеры; 2- радиальные стержневые анкеры; 3 - набрызг-бетон толщиной 25 см; 4 - арочно-бетонная обделка толщиной 45 см; 1,11,111 - этапы разработки забоя

Опережающая крепь в виде защитных экранов из труб было применена при строительстве машинного зала Рогунской гидроэлектростанции и припортального участка автодорожного тоннеля Озоди, расположенного в палеогеновых отложениях. На южном припоргальном участке тоннеля в основании залегают серые, зеленовато-серые известняки, которые в средней части сменяются пачкой ссрых и зслсновато-ссрых глин с прослоями мергелей. Завершают разрез слоев органогенолитовые известняки с прослоями серых глин. Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову составляет Г=6, коэффициент крепости породного массива („=5, модуль деформации Е=5000 Мпа, породы-сильнотрещиноватые, в связи с чем строительство южного припортального участка тоииеля вели под защитой опережающего экрана из металлических перфорированных труб диаметром 121мм с толщиной стенок 10мм (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Устройство защитного экрана из труб (на примере строительства тоннеля Озоди): 1 защитный экран из стальных перфорированных труб; 2 порода толщиной 40 сл/; 3 - набрызг-бетон толщиной 5 сл/; 4 - металлическая сетка; 5 - набрызг-бетон по аркам из 130 временного крепления; 6 -гидроизоляционный слой А1согр1ап ПХВ толщиной 2 л/л/; 7 - бетонная обделка толщиной 50 сл/; 8 - цембетон В25; 9 - выравнивающий слой из песка', 10 - песчаио-гравийная смесь; 11 - песок; 12 - железобетонный лоток обделки

Опыт строительства автодорожного тоннеля Шахристан свидетельствует о том, что применение традиционных горных способов для преодоления сложных участков в виде тектонических разломов недостаточно. Из-за сложности проходки на таких участках, где происходили постоянные вывалы, пришлось изменить трассу тоннеля, что в свою очередь привело к значительному удорожанию и увеличению срока строительства.

1.4. Горно-геологический мониторинг при строительстве и эксплуатации

тоннелей

Анализ строительства транспортных и гидротехнических тоннелей в Республике Таджикистан позволяет определять геологические особенности условий строительства. От инженерно-геологических изысканий зависят выбор типа конструкции тоннеля, его расположение в породном массиве и способ производства работ. При строительстве автодорожного тоннеля Истиклол, основным методом гсолого-тсхничсской разведки было бурение вертикальных скважин с последующим отбором керна размером 40x40x40 см и разведочная штольня для непосредственного изучения геолого-гидрологических условий и визуального наблюдения. Автодорожный тоннель Истиклол со стороны южного портала залегает в массивных доломитах и глинистых сланцах. Эти зоны представляют собой неустойчивые участки, по которым происходили вывалы породы. Например, в ноябре 2002 года после ведения буровзрывных работ на расстоянии от 172 до 177 м со стороны южного портала произошёл вывал породы, который длился 6 дней. Высота завала дос тигала 9-10 м, а высота воронкообразной полости, из которой произошел вывал превысила на 13 м проектный контур выработки. В октябре 2006 года при проходке участка рассланцованных известняков, в которых довольно широко развита разноориентированная трещиноватость, произошел крупный вывал общим объемом 1106 м3 (рис. 1.8). Обрушение сопровождалось обильным (1,5-2 л/сек) водопритоком в тоннель [18]. Участки вывалов были связаны с разрывными нарушениями, па сочленении которых создавались опасные участки, связанные с образованием карстов и вывалов пород, либо мощных водопритоков. При проектировании автодорожных тоннелей Озоди, Шахристан и Хатлон при проведении инженерно-геологических изысканий, применяли как бурение скважин по трассе тоннеля (рис. 1.9), так и геофизические методы в виде измерения электрического сопротивления породы (рис. 1.10). На трассс большинства тоннелей преобладают породы с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову 1 от 1 до 8. Указанные

коэффициенты крепости характеризуют прочность породного массива с учетом структурного ослабления трещинами различного происхождения.

Рис. 1.8. Схема вывала (а) и фото карстовой полости (б) при проходке автодорожного тоннеля Истиклол: 1 - проектный контур тоннеля; 2 - зона вывала.

Для определения качества и состояния пород, а также параметров, характеризующих трещиноватость горного массива, были использованы параметры RQD (Rock Quality Designation - Показатель прочности пород), GSI, RMR Classification [61] и т.д. Параметр!,i RQD были определены по состоянию отобранных образцов керна (рис. 1.9, а). Данный метод, заключается в измерении процентного выхода кусков керна диаметром 54,7 мм, длина которых превышает 100 мм (рис. 1.9, б). Горные породы высокого качества т.е. прочные породы имеют показатель RQD более 75 %. Показатель прочности пород низкого качества менее 50 %.

а)

см

7 см

Куски Щ)ня £ 10 си

Т. 20 см

РОЭ=^х 100,%

I. к

£/ж. к. — сумма кусков керна превышающих 10 см, |_к - общая длина керна, см

Таблица 1.1.

си

ь-о

яоа % Описание качество горного массива

0-25 очень низкое

25-50 низкое

50-75 хорошее

75-90 высокое

90-100 отличное

Л ЗООАОЭ

Рис. 1.9. Образцы отобранных кернов из разведочных скважин автодорожного тоннеля Хатлон (а) и процедура для измерения и вычисления ПСЮ (б).

Для обнаружения зон разломов в ряде случаев применяют бесконтактный метод, основанный на регистрации естественных импульсов электромагнитного поля земли. На рис. 1.10 приведены результаты геофизической разведки по трассе тоннеля Хатлон [61].

гух з 5 9 2

$»8

НОМУ -X» М •! 2

--г*' чи».

-сосг

ли »-пг.--л» : "т» ■сл. -сот • г.

-егг -л»»

■со-

-ЭТТ

Рис. 1.10. Результаты геофизической разведки в виде измерения электрического сопротивления пород в автодорожном тоннеле Хатлон

1.5. Мировой опыт проектирования и строительства транспортных тоннелей в сложных горно-геологических условиях

При строительстве тоннелей горным способом используют как традиционные, так и новые технологии. Горный способ характеризуется многообразными технологическими схемами, что определяется инженерно-геологическими условиями, длиной и размерами поперечного сечения тоннеля, и его назначением, уровнем механизации производственных процессов, освоением современных высоких технологий.

Наиболее распространённые способы проходки тоннелей в сложных горногеологических условиях — это бельгийский способ (способ опертого свода), германский (способ опорного ядра) и австрийский (способ полностью раскрытого профиля) [4, 27, 46]. Эти способы характеризуются высокой трудоемкостью и стоимостью работ, а также низкими темпами проходки.

В достаточно прочных скальных грунтах широкое применение нашли механизированные горные способы сплошного и ступенчатого забоя, а также нижнего уступа.

Рис. 1.11. Технологическая схема проходки тоннеля способом сплошного забоя'. 1 - самоходная буровая установка; 2 - погрузочная машина непрерывного действия; 3 - автомобиль-самосвал; 4 - машина для нанесения набрызг-бетона; 5 - вентиляционная труба; 6 - телескопическая опалубка, 7 - монолитный железобетон; 8 - стальная сетка; 9 - двутавровая арка; 10 - анкеры; 11 -набрызг-бетон; 12 - шпуры

Первые два способа применяют в крепких скальных грунтах с коэффициентом крепости £ > 6 - 7, причем, когда устойчивость вертикального забоя обеспечить невозможно, его расчленяют на две части, разрабатывая сначала сводовую часть, а затем нижнюю ступень. Разработка породы в основном производится с помощью буровзрывных работ, а также проходческими комбайнами.

Способ нижнего уступа используется при коэффициенте крепости грунтов от Г = 4 - 6, при котором сводовую часть выработки проходят с опережением нижней части на 30 - 50 м. Для обуривания забоя нижнего уступа применяют как-горизонтальное расположение шпуров, так и вертикальное.

Рис. 1.12. Технологическая схема проходки тоннеля способом нижнего уступа: 1 - породопогрузочная машина; 2 - самоходный вагон; 3 - бурильная установка; 4 -экскаватор; 5 - автомобиль-самосвал; 5 - буровой агрегат;

В настоящее время при строительстве горных транспортных тоннелей в скальных, полускальных и мягких породах широкое применение получила технология нового австрийского тоннельного метода (НАТМ), основанная на теоретической концепции взаимодействия гибких крепей с породным массивом [25, 27, 46]. Способ предусматривает создание несущего податливого слоя, состоящего из тонкой оболочки набрызг-бетона и слоя прилегающих к выработке пород, включенных в работу свода системой анкеров (обычно трубчатых перфорированных с последующим нагнетанием цементно-песчаного раствора) и податливых металлических арок (рис. 1.13) [25, 27]. В слабых неустойчивых грунтах раскрытие выработки большого пролета начинают с проходки боковых

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шарифов Симбод Амзалиевич, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананьев, В.П. Специальная инженерная геология / В.П. Ананьев, А.Д. Потапов, H.A. Филькин. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 263 с.

2. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев. - М.: Недра, 1994.-384 с.

3. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах / Н.С. Булычев. - М.: Недра, 1989. - 231 с.

4. Власов, С.Н. Аварийные ситуации при строиетльстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / С.Н. Власов, Л.В. Маковский, В.Е. Меркип. - М.: ТИМР, 2000. - 198 с.

5. Волков, В.П. Тоннели и метрополитены / В.П. Волков, С.Н. Наумов, А.Н. Пирожкова, В.Г. Храпов. - М.: Транспорт, 1975, 552 с.

6. Гарбер, В.А. Научное обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / В.А. Гарбер. - М.: Перо, 2015.-85 с.

7. Гарбер, В.А. Тоннели и метрополитены. Наука, проектирование, строительство, эксплуатация / В.А. Гарбер - М.: Экон-Информ, 2008. - 168 с.

8. Государственная целевая программа «Развитие транспортного комплекса Республики Таджикистан на 2010-2025 годы». Электронный ресурс: http://www.carecprogram.org/up1oads/docs/TAJ-Draft-State-Program-on-Transport-Development-2010-2025-ru.pdf

9. Данг В. Ч. Прогнозирование деформаций грунтового массива и зданий при строительстве транспортных тоннелей новым австрийским методом: дисс.... канд. техн. наук: 05.23.11 / Данг Ван Чыонг. М., 2015. -156 с.

10. Добров, Э.М. Механика грунтов: учебное пособие / Э.М. Добров. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 272 с

11. Дороги СНГ, журнал Межправительственного совета дорожников, №6 (41), 2014.

12. Дороги СНГ, журнал Межправительственного совета дорожников, №61, 06. 2017.

13.3айнагабдинов, Д.А. Транспортные тоннели и геодинамика горных массивов / Д.А. Зайнагабдинов, Н.М. Быкова. Электронный ресурс: https://cvberleninka.m/article/n/transportnve-tonneli-i-geodinamika-gornyh-massivov

14.Землетрясение навредило тоннелю «Хатлон». Движение приостановлено на месяц. Электронный ресурс: https://www.news.ti/ru/node/256381

15. Информационный отчёт о предварительных результатах инженерно-геологических изысканий в районе строительства автодорожного тоннеля Шар-Шар. Д.: 2004.

16. Каримов, Б.Б. Дорожное хозяйство Таджикистана (Пути совершенствование) / Б.Б. Каримов. - М., 1993. - 328 с.

17. Климат Таджикистана. Электронный ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/Климат Таджикистна

18. Коркунов, О. Результаты геологических исследований и надзора при строительстве тоннеля «Анзоб» (Южный портал) за 2001 - 2006 гг. / О. Коркунов, 3. Худобердыев, Ф.К. Вохидова.- Д.: ПГЭ, 2006. - 40 с.

19. Литвинский, Г.Г. Расчет крепи горных выработок на ЭВМ / Г.Г. Литвииский, Э.В. Фссснко, Е.В. Емсц. - Алчевск: ДонГТУ, 2011. - 174 с.

20. Маковский, Л.В. Проектирование автодорожных и городских тоннелей / Л.В. Маковский. - М.: Транспорт, 1993. - 352 с.

21. Маковский, Л.В. Городские подземные транспортные сооружения / Л.В. Маковский. - М.: Стройиздат, 1985. - 439 с.

22. Маковский, Л.В. Струйная цементация грунтов при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов / Л.В. Маковский, В.Е. Меркин. -М.: ТИМР, 1994.

23. Маковский, Л.В. Автотранспортные тоннели в крупных городах и мегаполисах / Л.В. Маковский, C.B. Чеботарев, H.A. Сула. - М.: ТИМР, 2004. -92 с.

24. Инновационные конструктивно-технологические решения в транспортном тоннелестроении: обзорная информация / JT.B. Маковский, C.B. Чеботарев, H.A. Сула. - М.: Информ-автодор, 2005. - 104 с.

25. Маковский, JI.B. Строительвто автодорожных и городских тоннелей / Л.В. Маковский, Е.В. Щекудов, E.H. Петрова. Под ред. Маковского Л.В. - М.: РИОР: ИНФРА-М, 2014. - 397 с.

26. Маковский, Л.В. Автодорожные и городские тоннели России: учебное пособие / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко, H.A. Сула. - М.: МАДИ, 2016. 136 с.

27. Мсркин, В.Е. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелостроени / В.Е. Меркин, Л.В. Маковский. - М.: ТИМР, 1997. - 192 с.

28. Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок. - М.: ЦНИИС, 1984. - 62с.

29. Нуманов, O.P. Строительство новых транспортных тоннелей в сейсмических районах Республики Таджикистан / O.P. Нуманов, С.А. Шарифов, Д.Х. Худойкулов // Вестник ТТУ. - 2016. - №3. с.50-58.

30. Основные черты геологического строения и металлогении Таджикистана. Электронный ресурс: http: 7wvvvv.цеорог!а 1 -1i.огц/ru/index.php/цео lo ц у

31. Пособие по расчетам. Midas GTS NX. - 305 с.

32. Рекомендации по применению опережающих экранов из труб при сооружении транспортных тоннелей. - М., ЦНИИС, 1988.-47с.

33. Руководство пользователя Plaxis. Версия 8.-182 с.

34. СП 122.13330.2012 Тоннели железнодорожные и автодорожные. - М.: Издание официальное, 2012. - 132 с

35. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. - М.: Издательство стандартов, 2011.-79 с.

36. СП 47.13330.2016. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Электронный ресурс: http://docs.cntd.ru/document/456045544

37. СПП 14.13330.2011 Строительство в сейсмических районах [Текст]. -Актуализированная редакция СНиП II-7-81; ввод. 2011-05-20 М.: ЦНИИС 2011.- 84с.

38. Справочник инженера-тоннельщика/Г. М. Богомолов, Д. М. Голицынский, С. И. Сеславинский и др.; под ред. В. Е. Меркипа, С. Н. Власова, О. Н. Макарова. - М.: Транспорт, 1993.—389 с.

39. СТО НОСТРОЙ 2.27.124-2013. Микротоннелирование. Электронный pecvpc:http://\vww.nostroy.ru/department/departament tehniceskouo regulir/sto/ СТО%20НОСТРОЙ%2()2.27.124-2013.pdf

40. Строительство тоннеля Озоди. Электронный ресурс: http://w\vwjnintrans.t¡^

41. Тоннель «Чормагзак» переименовали в «Хатлон», а тоннель Шар-Шар» - в «Озоди». Электронный ресурс: http: //www. d i а 1 о ц. ti/п е w s/n е w s 16452

42. Учебные материалы Midas GTS NX. Начальный и базовый уровень. - 192 с.

43. Фадеев, А.Б. Метод конечных элементов в гсомсханикс / А.Б. Фадеев. М.: Недра, 1987.-221 с.

44. Фролов, Ю.С. Высокие технологии, внедряемые при строительстве горных транспортных тоннелей / Ю.С. Фролов. Электронный ресурс: https://elibrarv.m/download/elibrary 24303727 64583871 .pdf

45. Фугснфиров, A.A. Проектирование транспортных тоннелей / A.A.

Фугенфиров. - О.: СибАДИ, 2007. -298 с.

46. Фугенфиров, A.A. Строительство транспортных тоннелей / A.A. Фугенфиров. - О.: СибАДИ, 2007. - 298 с.

47. Чеботарев, C.B. Совершенствование конструктивно-технологических решений и методов расчета опережающих экранов из труб при строительстве транспортных тоннелей: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Чеботарев Сергей Витальевич. М., 1990. - 219 с.

48. Шарифов, С.А. Применение опережающих крепей при проходке автодорожных тоннелей в сложных горно-геологических условиях

Республики Таджикистан / С.Л. Шарифов // Всстник МАДИ. - 2018. - №1. с. 90-95.

49. Шарифов, С.А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния фунтового массива при строительстве горных тоннелей в тектонически нарушенных зонах / С.А. Шарифов // Вестник МАДИ. - 2018. - №1. с. 90-95.

50. Шарифов, С.А. Прогнозирование напряжений и деформаций обделки тоннеля в зоне тектонических разломов / С.А. Шарифов, JI.B. Маковский // Наука и техника в дор. отрасли. - 2018. - №2. с. 32-35.

51.Щскудов, Е.В. Взаимодействие защитных экранов из труб с грунтовым массивом при строительстве тоннелей мелкого заложения: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Щекудов Евгений Владимирович. - М., 2003. - 181 с.

52. Эслами, В.М. Рациональные параметры опережающей забойной крепи из фибергласовых элементов применительно к строительству горных автодорожных тоннелей в Иране: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Эслами Варнамасти Маджид. - М., 2004. - 194 с.

53. Aksoy, С. The role of umbrella arch and face bolt as deformation preventing support system in preventing building damages / C. Aksoy, T. Onargan. Tunnelling and Underground Space Technology. - P. 553-559.

54. Analysis for Tunnel Excavation in Jointed Rock Mass. Tutorial 33, Midas GTS 3D. URL: https://en.midasuser.coni/training/tutorial list.asp?pg=4&so=&sort=&bid=6&nC at=&nCat2= 133&bTvpe=&totCounl=48 (дата обращения: 30.04.2019).

55. Analysis of a Tunnel with Pipe Umbrella and Multi Stage Grouting. Tutorial 35, Midas GTS 3D. URL: https://en.midasuser.com/training/tutorial_list.asp?pg=4&so=&sort=&bid=6&nC at=&nCat2= 133&bTvpe=£totCount=48 (дата обращения: 30.04.2019).

content/uploads/2013/09/1 обращения: 30.04.2019).

Pipe-Umbrella-System.pdf

57. Bhawani, S. Tunneling in Weak Rocks / S. Bhawani, R.K. Gocl. - London: Elsevier Ltd, 2006. - 509 p.

58. Bilgin, M. Cross section calculations, Unpublished Self Study (in Turkish). URL: https://www.researchgate.net/publication/280625013 Cost Comparison of NAT M and Umbrella Arch Method (дата обращения: 30.04.2019).

59. Binh, Th. L. The reinforcing effects of Forepoling Umbrella System in soft soil tunneling / Binh Thanh Le, R Neil Taylor. URL: https://www.researchgate.net/publication/319716271 The reinforcing effects of

Forepoling Umbrella System in soft soil tunnelling (дата обращения: 30.04.2019).

60. Doi, Y. The optimum distance of roof umbrella method for soft ground by using PFC / Y. Doi, T. Otani, M. Shinji. In: Ma GW, Zhou YX, editors. Analysis of discontinuous deformation: new developments and applications. Singapore: Research Publishing Services; 2009. - P. 461-469.

61.General geological report. Char-Maghzak Road and Tunnel project. 2007.

62. Giovanni, B. Full face excavation of large tunnels in difficult conditions / B. Giovann. - Jornal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. - 2016. http://dx.doi.org/10.1016/i.irmge.2015.12.003 (дата обращения: 30.04.2019).

63. GTS NX On-line Manual. URL: http://ru.midasuser.com/web/page.php?no=65 (дата обращения: 30.04.2019).

64. Guideline for Design of Road Tunnel, Road Development Authority (RDA) Japan International Cooperation Agency (JICA), 2018.

65. Hoek, E. Support for very weak rock associated with faults and shear zones / Evert Hoek.: International symposium of rock and support and reinforcement practice in mining. Kalgoorlic, Australia. - 1999. - 20 p.

66. Hun, Y., 2011. Stability and collapse mechanisms of unreinforced and forepole-reinforced Tunnel Headings. PhD Thesis. National University of Singapore. URL: https://scholarbank.nus.edu.sg/handle/10635/33273 (дата обращения: 30.04.2019).

67. Jeffrey, О. Determination of nomenclature, mechanistic behaviour, and numerical modelling optimization of umbrella arch systems / Jeffrey Daniel Stephen Hayter Оке // PhD - 2016. - 313 p.

68. Jeffrey, O. Numerical analyses in the design of umbrella arch systems / O. Jeffrey, V. Nicholas, M.S. Diederichs. URL: https://\v4vw.sciencedirect.coin/science/article/pii/S 1674775514000894 (дата обращения: 30.04.2019).

69. Jeffrey, О. Semi-analytical model for umbrella arch systems employed in squeezing ground conditions / O. Jeffrey, V. Nicholas, M. Vassilis. URL: https://wvvw.rcscarchgatc.nct/publication/299444787 Scmi-

analytical model for umbrella arch systems employed in squeezing ground conditions (дата обращения: 30.04.2019).

70. Jeffrey, О. Umbrella arch Nomenclature and selection methodology for temporary support systems for the design and construction of tunnels / O. Jeffrey, V. Nicholas, M. Vassilis. Gcotcchnical and geological engineering. 2014. P. 97-130.

71.Katsushi, M. Design and construction ofmountain tunnels in Japan. / Miura Katsushi. - Tunnelling and Underground Space Technology 18 // Pergamon. 2003. -P. 115-126.

72. Ki-Il Song. Beam-spring structural analysis for the design of a tunnel pre-rcinforccmcnt support system / Ki-Il Song, Gyc-Chun Cho, Scok-Buc Chang, In-Mo Lee. - 2013. URL: https://www.researchgate.net/publication/263467617 Beam-

spring structural analvsis for the design of tunnel pre-reinforcement support system (дата обращения: 30.04.2019).

73. Malkowski, P. Behavior of joints in sandstones during the shear test/ P.: 2015. -URL: https://www.researchgate.net/publication/283028700 Behaviour of

joints in sands tones during the shear test, (дата обращения: 30.04.2019).

74. Mitsubishi Rock drilling tools. URL: http://www.mmtc.co.jp/au/super-maxbit.html (дата обращения: 30.04.2019).

75. Moller, S.C. On numerical simulation of tunnel installation / S.C. Mollcr, P.A. Vermeer. - Tunnelling and Underground Space Technology 23 // Elsevier. 2008. -P. 461 -475.

76. Ocak, I. Cost Comparison of NATM and Umbrella Arch Method / I. Ocak, M. Namli. URL:https://library.ita-aites.org/wtc/8M-cost-comparison-of-natm-and-umbrella-arch-method.html (дата обращения: 30.04.2019).

77. Ocak, I., 2008, Control of Surface Settlements with Umbrella Arch Method in Second Stage Excavations of Istanbul Metro / I. Ocak. - Tunneling and Underground Space Technology, 23(6). - P. 674-681.

78. Orcstc, P. Facc stabilization of shallow tunnels using fiberglass dowels. Geotechnical Engineering /Р. Oreste. 2009. - P. 95-109.

79. Pengfei, L. Displacement characteristics of high-speed railway tunnel construction in loess ground by using multi-step excavation method / Li Pengfei, Z. Yong, Z. Xiaojun. Tunnelling and Underground Space Technology 51 // Elsevier. - 2016. -P. 41 55.

80. Pipe Umbella Systems. URL: http://www.minroc.de/ (дата обращения: 30.04.2019).

81. Ponnuswa S., Johnson Vict D., Transportation Tunnels. Taylor & Francis Group, London, UK. 2016.-370 p.

82. Sulcyman, D. Tunneling in fault zones, Tuzla tunnel, Turkey / Sulcyman Dalgic. Tunnelling and Underground Space Technology 18 // Pergamon. 2003. - P. 453 -465.

83. Technical Manual for Design and Construction of Road Tunnels — Civil Elements. U.S. Department of transportation Federal Highway Administration. URL: https://w4vw\thvva.dot.gov/bridgc/Uinncl/pubs/nhi09010/tunncl manual.pdf (дата обращения: 30.04.2019).

84. Tuncdemir, H. Umbrella arch and forepoling support methods / H. Tuncdemir, C. Aksoy, E. Guclu, S. Ozer. Stockholm: EUROCK. - 2012. - P. 515-527.

85. Volkmann, G.M. A load and load transfer model for pipe umbrella support / G.M. Volkmann, W. Shubert. Rock Mechanics in Civil and Environmental Engineering. Taylor & Francis Group, London. - 2010. - P. 379-382.

86. Volkmann, G. Advantages and specifications for pipe umbrella support systems / G. Volkmann, W. Shubert. URL:

https://www.research.oate.net/publication/287762212 Advantages and specificat ions for pipe umbrella support systems (дата обращения: 30.04.2019).

87. Volkmann, G.M. Geotechnical model for pipe roof supports in tunneling / G. Volkmann, W. Shubert. URL: https://purc.tugraz.at/ws/portalfilcs/portal/2948451/6688.pdf (дата обращения: 30.04.2019).

88. Wang, Y. Effect of a fault fracture zone on the stability of tunnel-surrounding rock / Yingchao Wang, Hongwen Jing, Haijian Su, Jiangyue Xie // International Journal of Geomechanics. - June 2017. V. 17, Issue 6. - P. 1 - 20.

89. Xuczeng, L. Experimental study on normal fault rupture propagation in loose strata and its impact on mountain tunnels / L. Xuezeng, Li Xuefeng, S. Yunlong, L. Lianglun / Tunnelling and Underground Space Technology 49 // Elsevier. -2015. - P. 417 - 425.

90. Yong, F. Scale model test of highway tunnel construction underlying mined-out thin coal scam / Yong Fang, Chen Xu, Gc Cui, Bcrnadcttc Kcnncally. Tunneling and underground space technology 56 // Elsevier. - 2016. - P. 105 - 116.

91. Zhenchang, G. Back analysis technique for mountain tunneling based on the complex variable solution / G. Zhenchang, D. Tao, H. Hongwei, J. Yujing. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 59 // Elsevier. - 2013. -P. 15-21.