Выбор рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат технических наук Привалов, Александр Алексеевич

• Привалов, Александр Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Привалов, Александр Алексеевич

Введение

Глава 1. Анализ существующих классификаций массива пород

1.1. Теория горного давления Терцаги

1.2. Рейтинг массива горных пород (RMR)

1.3. Классификация качества массива пород Q - система

1.4. Геологический индекс прочности (GSI)

1.5. Классификация Лауффера

1.6. Классификация MR

1.7. Метод анализа разработки породы

1.8. Разбуриваемость скальных массивов

1.9. Опыт создания классификационных систем в России

Выводы по 1 главе

Глава 2. Анализ проведённых исследований форм подземных гидротехнических выработок и существующих методов проходки туннелей в слабых породах

2.1 Технико-экономический анализ

2.2. Экспериментальные исследования

2.2.1. Исследования крупных подземных выработок

2.2.2. Исследования форм поперечного сечения туннелей 52 2.3 Анализ существующих методов строительства туннелей в слабых породах

2.3.1. Новоавстрийский способ

2.3.2. Щитовые способы проходки

2.3.3.1. Специальные горные способы проходки

2.3.3.2.Специальные щитовые способы проходки в водонасыщенных грунтах

2.3.4 Способы опертого свода и опорного ядра

Выводы по главе

Глава 3. Исследование статической работы обделок ^ безнапорных туннелей в слабых породах

3.1.1. Инженерно-геологические характеристики скального массива

3.1.2. Построение расчётной схемы

3.2. Обобщённый показатель прочности бетонной обделки

3.2.1. Определение внутренних усилий

3.2.2. Оценка прочности бетонной обделки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах»

В настоящее время во всём мире наблюдается рост масштабов строительства подземных сооружений. В условиях нарастающего энергетического кризиса растёт интерес к строительству гидроэлектростанций, как к наиболее экологически чистым источникам энергии, к строительству гидротехнических туннелей, включающих подводящие и отводящие туннели ГЭС и ГАЭС, а также туннели для подвода воды к населённым пунктам, ирригационные и мелиоративные туннели [2], [5], [8], [11], [12], [13], [16].

По условиям гидравлической работы гидротехнические туннели разделяются на напорные и безнапорные, которые применяются в тех случаях, когда в головном сооружений туннеля или на выходном портале колебания уровня воды незначительны. Назначение на предварительных стадиях проектирования формы поперечного сечения и размеров безнапорных туннелей зависит, прежде всего: от инженерно-геологических условий на трассе туннеля, от условий гидравлической работы туннеля и от способа ведения строительных работ по его проходке.

В отечественной инженерной практике для предварительного назначения формы сечения безнапорных туннелей применяют рекомендации СНиП 2.06.09.84 «Туннели гидротехнические». Выбор формы сечения безнапорных туннелей по СНиП производится в зависимости от коэффициента крепости пород, а также условий и степени проявления вертикальных и горизонтальных нагрузок [22]. Однако разработанные проекты подземных сооружений при формальном соблюдении требований СНиП не всегда являются рациональными с точки зрения конструктивно-компоновочных и технологических решений из-за неучёта особенностей всего комплекса проблем проектирования и строительства подземных сооружений [3]. Вместе с этим, рекомендации СНиП можно отнести к широко используемым в мировой практике туннелестроения системам классификаций скальных массивов, которые базируются на накопленном опыте строительства десятков и сотен уже существующих подземных объектов. Они дают рекомендации по состоянию устойчивости массива горных пород, допустимому пролёту выработки, ее креплению и выбору конструкции обделки. Эти классификации предназначены для проектирования на предварительных этапах подземных выработок различного назначения: железно и автодорожных, горных, гидротехнических и т.д. Рассматривая широкий класс горных пород, они основываются на большом количестве физико-механических и геометрических параметров. Некоторые из них такие, как классификации Бартона и Бенявского, получили всемирное признание и применяются при проектировании объектов не только на предварительных, но иногда и на заключительных этапах.

В то же время эти классификации имеют ряд общих недостатков. Характерной их чертой является то, что каждая из предложенных классификаций ориентирована на определенный тип сооружений и конкретные породы. Хотя сами авторы не ограничивают область применения своих классификаций, однако, на практике, они используются лишь для конкретных конструкций и типов крепления. Эти классификации, следует с осторожностью использовать в исследовательской и проектной деятельности, поскольку они не имеют строгой научной основы. Все классификации скальных массивов носят эмпирический характер, а назначение параметров целиком зависит от интуиции и опыта исследователя, и требуют постоянной проверки в процессе строительства с помощью соответствующих натурных исследований. Очевидно, что это требует дальнейшего их совершенствования и разработки более объективных и научно-обоснованных классификаций.

Целью диссертационной работы является исследование характера работы обделок безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах и получение факторных зависимостей, позволяющих на основе используемых факторов рекомендовать формы поперечного сечения и класс применяемого в обделке бетона. Результаты представлены в виде номограмм.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- анализ существующих классификаций массивов и результатов исследовательских работ;

- выбор форм поперечного сечения туннелей из применяемых в настоящее время и рекомендуемых строительными нормами;

- выбор факторов, оказывающих влияние на работу обделки, и диапазона их значений;

- проведение численных экспериментов;

- определение критерия для сравнения исследуемых форм поперечного сечения;

- получение параметрических уравнений на основе метода факторного анализа;

- составление номограмм и выполнение на их основе анализа проведённых численных экспериментов.

Все исследования, представленные в работе, выполнены на кафедре «Производства и организации гидротехнических работ» Московского государственного строительного университета под научным руководством профессора, доктора технических наук М.Г. Зерцалова, которому автор выражает глубокую благодарность за помощь и постоянное внимание, которые оказывались при работе над диссертацией.

Заключение диссертации по теме «Гидротехническое строительство», Привалов, Александр Алексеевич

Общие выводы

1. Применение метода конечных элементов в сочетании с использованием факторного анализа для обработки полученных результатов, является эффективным инструментом при выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

2. На основе полученных для каждой формы поперечного сечения туннелей параметрических уравнений можно в пределах варьирования принятых факторов достаточно подробно проанализировать работу безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах.

3. Обобщённый показатель прочности обделки ш, выбранный в качестве I функции отклика параметрических уравнений, является критерием, которой достаточно полно и объективно характеризует безопасность статической работы туннеля слабых породах.

4. В расчётах безнапорных гидротехнических туннелей исследуемых форм необходимо учитывать все рассмотренные факторы, несмотря на то, что они оказывают неодинаковое влияние на величину обобщённого показателя прочности т. Однако, при этом следует учитывать, что глубина заложения является основным фактором, влияющим на значения обобщенного показателя.

5. Применение корытообразной (с полуциркульным сводом) и коробовой форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей целесообразно при глубине заложения, не превышающей 100 м.

6. Анализ результатов, полученных с помощью номограмм позволяет сделать вывод о незначительном преимуществе круговой формы поперечного сечения на небольшой глубине заложения (до 30 м). Однако при возрастании глубины заложения преимущество круговой формы возрастает и для глубины заложения свыше 100 метров круговая форма поперечного сечения является наиболее предпочтительной.

7. При выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорного гидротехнического туннеля помимо анализа его статической работы необходимо учитывать используемый метод проходки и стоимостные показатели.

8. Построенные номограммы могут рассматриваться как специальные классификации скальных массивов, предназначенные для исследования статической работы безнапорных гидротехнических туннелей. С их помощью можно быстро и с достаточной степенью точности в пределах варьируемых факторов получить рекомендации по выбору формы поперечного сечения туннеля и подбору класса бетона на предварительных стадиях проектирования.

9. Так как воздействие воды в безнапорных гидротехнических туннелях оказывает незначительное влияние на статическую работу сооружения, то полученные результаты и методику расчёта можно применять и на предварительных стадиях проектирования транспортных тоннелей в слабых породах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Привалов, Александр Алексеевич, 2004 год

1. Адлер Ю. П., Грановский Ю. В. Планирование экспериментов при поиске оптимальных условий М.: Наука, 1976, 279с.

2. Бацетти Р., Бертоккини И.Р. Строительство гидротехнических туннелей в г. Харлан//Забой. 1992, № 6-8.

3. Бикинеев М.Г., Сергеев В.К. Особенности проектирования подземных сооружений//Гидротехническое строительство.-1998. №1.

4. Бок X. Введение в механику скальных пород. М.: Мир, 1983.

5. Бородин В.И. Новое в отечественном и зарубежном подземном строительстве. М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 1995, с. 120.

6. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994, 383с.

7. Гольдин A.JL, Рассказов JI.H., Проектирование грунтовых плотин М.: Издательство Ассоциации Строительных Вузов, 2001, с.319-320.

8. Гуртовик Ф.И., Золотов О.Н., Куперман В.Л., Мостков В.М., Осадчий Л.Г. Оценка современного состояния строящегося подземного машинного зала Рогунской ГЭС//Гидротехническое строительство.-1992, №3.

9. Джинчарадзе Д. И. Обделки транспортных туннелей из бетонов на природных пористых заполнителях. Автореф. дисс. на соиск. докт. техн. наук. М.: ЦНИИС, 1987.

10. Ю.Зерцалов М.Г., Толстиков В.В. Реферат программного комплекса «Трещина», Основания, фундаменты и механика грунтов, 1988, №511 .Корте-Суалон Р. Способы производства горнопроходческих работ на строительстве подземной ГЭС на о. Сицилия//Забой.-1992. №6-8.

11. Маковский Л.В., Меркин В.Е., Мостков В.М. Опыт строительства крупнейших подводных туннелей//Подземное пространство мира,-1995. №5.

12. Мостков В.М. О строительстве подземных сооружений// Гидротехническое строительство.-1992. №11.

13. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения М. Недра, 1974

14. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения, М.: Недра, 1992,320с.

15. Подземные гидротехнические сооружения. Учебник для вузов/ Под ред. Мосткова В.М./, М.: Высшая школа, 1986, 464с.

16. Подземные сооружения гидроэлектростанций. /Под ред. Купермана B.JL/, М.: Энергоатомиздат, 1996, 320с.

17. Реза Рахман Неджад Выбор форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей//Автореферат диссертации на соискание кандидата технических наук М.: МГСУ, 2000

18. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей М., Стройиздат, 1982.

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

20. Хованский Г.С. Методы номографирования. М.: ВЦ АН СССР, 1964.

21. Хованский Г.С. Некоторые методы приближенного номографирования. М.: ВЦ АН СССР, 1985.

22. Эристов B.C. Производство гидротехнических работ. М.: Стройиздат, 1970, с.487.

23. Юфин С.А., Постольская O.K. Некоторые актуальные вопросы проектирования и строительства туннелей в комплексах сооружений электростанций// Энергетическое строительство, 1988, №5.

24. Abdullatif О. М. and Cruden, D. М. The Relationship between Rock Mass Quality and Ease of Excavation, Bull. Int. Assoc. Eng. Geology, Vol. 28, 1983, pp. 183-187.

25. Barton, N., Lien, R., and Lunde, J. Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support, Rock Mechanics, Springer-Verlag, Vol. 6,1974, pp. 189-236.

26. Bieniawski Z.T., Determining Rock Mass Deformability, Experience from Case Histories, Int. Jr. Rock Mech. and Min. Sci. & Geomech. Abstr. Pergamon, 15, 1978, pp. 237-247.

27. Bieniawski Z.T.: Engineering classification of jointed rock masses -Transcat. S. Afr. Ins. Civil Eng., 15, 1974, pp. 335-342.

28. Brekke T.L. Howard Т., Stability problems caused by seams and faults. Proc. First North American Rapid Excavation and Tunneling conference, AIME, New York, 1972, pp. 25-41.

29. Cecil O.S., Correlation of Rock Bolts Shotcrete Support and Rock Quality Parameters in Scandinavian Tunnels, Ph. D. Thesis, University of Illinois, Urbana, 1970, p.414.

30. Costa-Pereira A. S., Rodrogues-Carvalho J.A. Rock mass classification for tunnel purposes- Correlation between the systems proposed by Wickham et al., Bieniawski and Rocha // Proc. IV Int. Congress on Rock Mechanics. Monreal, 1987. pp. 841-844.

31. Deer D.U., Peck R.B., Parker H., Monsees J.E. and Schmidt В., Design of Tunnel Support Systems, High Res. Rec., No. 339, 1970, pp.26-33.

32. Franklin J.A., Broch E. and Walton G. Logging the Mechanical Character of Rock, Trans, Inst. Mining Metallurgy, A80, Al -A9 and Discussion A81, A34,A51, 1972.

33. Goel R.K., Jethwa J.L. and Dhar B.B., Effect of Tunnel Size on Support Pressure, Technical Note, Int. Jr. Rock Mech. and Min. Sci. & Geomech. Abstr., Pergamon, Vol. 33, 1996, No. 7, pp. 749-755.

34. Hoek E., Putting numbers to Geology an Engineering viewpoint, Felsbau, 3,1999.

35. Hoek, E. and Brown, E. T. Practical Estimates of Rock Mass Strength, Int. Jr. Mech. and Min. Sci., Pergamon, Vol. 34, 1997, No. 8, pp. 1165-1186.

36. Muller L. Der Felsban. Dand 3. Tunnelban, Berlin, 1978.

37. Nast, Paul. H., Drillers Handbook on Rock, Davey Compressor Company, Kent Ohio. In Tunnel Engineering Handbook, Ed. Bickel, Jon O. and Kuesel, T. R., 1955.

38. Rabcewicz L., Golser I. Principles of dimensioning supporting system for the New Austrian tunneling method ," Water Power", №3, 1973.

39. Rose D., Revising Terzaghi's Tunnel Rock Load Coefficients, Proc. 23rd U.S.Sym. Rock Mech., AIME, New York, 1982, pp.930-960.

40. Serafim J.L., Pereira J.P., Considerations of the Geomechanics Classification of Bieniawski, Int. Symp. Eng. Geol. Underground Constr., LNEC, Lisbon Vol.1, 1983, pp. II.33-II.42.

41. Singh В., Goel R.K. A practical approach in civil engineering. India, 1999.

42. Singh R.N., Denby, B. and Egretli I., Development of a New Rippability Index for Coal Measures Excavations, Proc. 28th US Sym. on Rock Mech., Tucson, 1987, pp. 935-943.

43. Terzagi K., Rock Defects and Load on Tunnel Supports, Introduction to Rock Tunneling with Steel Supports, a book by Proctor R.V. and White T.L., Commercial Sheering & Stamping Co., Youngstown, Ohio, U.S.A., 1946

44. Verman M.K., Rock Mass — Tunnel Support Interaction Analysis, Ph. D. Thesis, University of Roorkee, Roorkee, India, 1993, p. 258.

45. Wilbur, Lyman D., Rock Tunnels, Chapter 7 in Tunnel Engineering Handbook, Edited by Bickel and Kuesel as referred above, 1982,pp. 123-207.