Методика определения усилия лобового сопротивления при сооружении тоннелейспособом продавливания

На правах рукописи Мосолов Георгий Владимирович Методика определения усилия лобового сопротивления при сооружении тоннелейспособом продавливания Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2013 Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Демешко Евгений Андреевич Официальные оппоненты: Дорман Игорь Яковлевич доктор технических наук, ОАО «Метрогипротранс», вице-президент по научной работе Мазеин Сергей Валерьевич кандидат технических наук, Тоннельная ассоциация России, начальник научно-технического отдела Ведущее предприятие: ОАО «Мосинжпроект», г. Москва Защита состоится «20» июня 2013 г. в 10.00 час. в ауд. №42 на заседании диссертационного советаД 212.126.02 ВАК Министерства образования и науки РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, дом 64, ауд. 42. Справки по тел./факс +74991559324. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Ваши отзывы на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенные печатью, просим направлять в диссертационный совет университета. Автореферат разослан «20» мая 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Н.В. Борисюк ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В последние годы со значительным ростом грузоперевозок остро встаёт вопрос повышения пропускной способности магистралей, особенно в местах их пересечения. Традиционные методы сооружения подземных проездов или пешеходных переходов под насыпями существующих дорог связаны с частичным перерывом движения по ним и, следовательно, с экономическими потерями и высокой трудоемкостью работ. Наиболее эффективным методом пересечения транспортных магистралей в этих условиях является строительство транспортных тоннелей способом продавливания, позволяющим вести работы без прекращения движения по существующей магистрали. Одним из важнейших параметров, от которого зависят условия проектирования тоннеля, сооружаемого способом продавливания является лобовое усилие продавливания ножевой части тоннеля. Зарубежными проектными организациями накоплен большой опыт проектирования тоннелей, сооружаемых способом продавливания крупногабаритных секций. Это позволило им разработать свои методики расчета усилий продавливания. Описание данных методик является элементами интеллектуальной собственности фирмы-проектировщика, поэтому проведение их анализа не представляется возможным. На данный момент существующая в нашей стране расчётно-теоретическая методика определения компоненты полного усилия продавливания – лобового сопротивления – это расчет по удельным сопротивлениям внедрения в грунт ножевых элементов, полученным на основе опытных работ. При этом методе расчета имеют место эмпирические данные, влияющие на конечные результаты лобовых сопротивлений. Данный подход может приводить к недостоверным прогнозам требуемого усилия. Поэтому разработка методики по определению усилия продавливания, базирующейся на фундаментальных теориях взаимодействия грунтовой среды, сооружений и строительного оборудования является актуальной научной задачей. Цель и задачидиссертации. Цель работы – разработать методику определения величины лобового усилия продавливания для тоннеля из крупногабаритных секций прямоугольного сечения. Основные задачи диссертации: 4 – провести экспериментально-теоретические исследования предельно-напряженного состояния грунта при продавливании ножевой части тоннеля; – разработать методику расчета лобовых усилий продавливания секции для тоннеля прямоугольного очертания; – провести натурные исследования параметров усилия при строительстве тоннельного перехода способом продавливания и выполнить сравнительный анализ полученных натурных параметров с расчетными; – разработать алгоритм расчета лобовых усилий продавливания тоннеля и дать рекомендации по их определению. Методика исследований. В основе методики заложен комплексный подход, включающий проведение теоретических и экспериментальных исследований. В теоретических исследованиях использовано решение плоской задачи предельного равновесия сыпучей среды.Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях. С применением разработанной методики выполнены расчеты для натурной секции тоннеля. Результаты проведенных расчетов сопоставлялись с натурными данными. Научная новизна работы заключается в следующем: - разработаны расчетные модели продавливания в грунт клиновидных элементов ножевой части продавливаемого тоннеля прямоугольного очертания на основе строгих теорий механики грунтов; - предложены критерии для определения существования стадий предельно-напряженного состояния грунта при внедрении в него вертикальных клиновых элементов; - разработана методика расчета лобового усилия продавливания крупногабаритной секции прямоугольного очертания; - выявлены особенности взаимодействия грунтовой среды и элементов ножевой части и установлены зависимости лобового усилия продавливания для ножевой части автодорожного тоннеля от основных влияющих факторов: угла внутреннего трения грунта, сцепления грунта и толщины секции. Практическую значимость работы составляют: аналитические решения расчета усилия внедрения клиновидных элементов ножевой части в грунт в условиях трехмерного объемного сдвига; алгоритм расчета, позволяющий быстро и эффективно выполнять многовариантные расчеты усилий продавливания прямоугольных секций тоннеля; номограмма, позволяющая оценить величину лобового усилия в зависимости от основных влияющих факторов на этапе предпроектной подготовки. Достоверность полученных результатов определяется: - строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; - высокой сходимостью результатов расчетов по разработанным математическим моделям с натурными исследованиями технологических параметров тоннеля, сооружаемого способом продавливания. Реализация результатов. Результаты работы использованы ОАО «Мосинжпроект» при проектировании конструкций ножевой части и домкратной установки по строительству транспортного тоннеля под железнодорожными путями Курского направления МЖД, сооружаемого закрытым способом методом продавливания. Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на заседаниях секции «Метро и тоннелестроение, освоение подземного пространства» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2007-2012 гг. Публикации. Результаты диссертационного исследования полностью изложены в 4 работах, опубликованных автором, в том числе 1 в журнале «Транспортное строительство», рекомендованном ВАК РФ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Основной текст изложен на 136 страницах, содержит 11 таблиц, 59 рисунков. Ссылки даны на 97 источников. В память научному руководителю д.т.н., проф. Е.А. Демешко. Автор выражает благодарность коллективам лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС и мастерской №7 ОАО «Мосинжпроект» за помощь при проведении исследований. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе даётся обзор вариантов сооружения тоннелей способом продавливания, рассмотрен отечественный и мировой опыт сооружения тоннелей методом продавливания, рассмотрены основные расчетные методики определения усилий продавливания. В случаях пересечения железнодорожных и автодорожных магистралей, рек, каналов, насыпей технически целесообразным и экономически эффективным является применение способа продавливания тоннелей.Основной отличительной особенностью способа по сравнению с щитовым является задавливание обделки непосредственно из стартового котлована с помощью домкратных групп. 6 Способ продавливания имеет ряд особенностей, таких как возможность ведения работ без нарушения движения транспортных средств по пересекаемой магистрали, исключение перекладок подземных коммуникаций, сведение к минимуму сдвижений и деформаций грунтового массива и поверхности, снижение трудоемкости тоннелестроительных работ, сокращение сроков строительства на участке продавливания. Вопросы сооружения тоннелей специальными способами, в том числе способом продавливания рассматриваются в работах Васюкова П.А., Голицынского Д.М., Гарбера В.А., Демешко Е.А.,Дормана И.Я., Кривенко А.А., Кривошеина А.М., Маковского Л.В.,Меркина В.Е., Самойлова В.П., Цытовича Н.А; за рубежом в работах D.Allenby, J.W.T. Ropkins, C.W. Daugherty, J. Leeney, P.VanDijk. При проектировании тоннелей методом продавливания всегда встаёт задача определения усилий сопротивления продавливанию, которые необходимы для последующего выбора технологической схемы проходки тоннеля, механических устройств и их проектирования. Определению усилий сопротивленияпродавливанию, в том числе при щитовой проходке посвящены работы Алексеева А.В., Демешко Е.А., Лушникова А.В., Маковского Л.В., Мазеина С.В., Самойлова В.П., F.X. Borghi, D. Bennet, W. Broere, P. Coller, D. Frost, K. Staheli. При проектировании ножевой части тоннеля, сооружаемого методом продавливания,основным расчётным параметром является лобовое усилие продавливания. При внедрении ножевой части головной секции тоннеля в грунтовый массив возникает лобовое сопротивление, сопровождаемое сдвигом части грунта в забое в сторону внутреннего пространства секции. В существующей практике проектирования методики определения лобовых усилий внедрения ножевой части тоннельных секций можно разделить на 3 вида:аналоговая методика, экспериментальная методика ирасчетно-теоретическая методика. Аналоговая и экспериментальная методики носят ориентировочный характер и могут приводить к недостоверным результатам усилий, в силу невозможности учета взаимодействия множества факторов (таких как плотность грунта, сцепление, угол внутреннего трения, толщина секции),влияющих на конечный результат. В расчётно-теоретической методике можно выделить два варианта расчета: 1. Расчёт по удельным сопротивлениям внедрения в грунт ножевых элементов, полученным на основе опытных работ Беккер Д.И., Васюкова П.А., Демешко Е.А., Малого И.М., Малояна Э.А., Самойлова В.П.; 2. Расчёт, базирующийся на фундаментальных теориях статической работы грунтовой среды и сооружений. В варианте расчета по удельным сопротивлениям участвуют эмпирические данные, игнорирующие многие факторы, влияющие на конечные результаты лобовых сопротивлений, поэтомупри расчете могутиметь место значительныепогрешности результатов. В варианте расчета, базирующимся на фундаментальных теориях статической работы грунтовой среды и сооружений результаты подтверждаются как обобщёнными теориями механики грунтов, так и экспериментальными исследованиями поведения грунтов под воздействием внешней нагрузки. Теория предельного равновесия грунта, предусматривающая в каждой точке зоны сдвига грунта образование элементарных площадок, на которых выполняется условие предельного равновесия и образующих поверхности скольжения и их сетки была развита Соколовским В.В., а некоторые частные задачи были решены Березанцевым В.Г., Голушкевичем С.С., Клейном Г.К. Развитию теории предельно-напряженного состояния (ПНС) также посвящены работы Ивлева Д.Д., Кондратьева Д.С., Хаар А., Карман Т. В области тоннелестроения исследованиями предельного состояния грунтов занималисьГарбер В.А., Демешко Е.А., Самойлов В.П., Цытович Н.А. Из существующих расчетно-теоретических методик определения лобового усилия продавливания, основанных на теории предельного равновесия грунта можно выделить следующие: - методика расчета для нахождения лобового усилия при вертикальном продавливании шахтных стволов кругового очертания (Самойлов В.П., Гарбер В.А.) - методика определения лобового усилия внедрения ножевого кольца в грунт при щитовой проходке тоннеля (Демешко Е.А.). Данные методики разработаны для тоннелей и шахт кругового очертания и неприменимы для расчета внедрения прямоугольной ножевой части, ввиду особого распределения предельно-напряженного состояния в грунте при внедрении прямоугольной секции. Анализ состояния вопроса сооружения тоннелей способом продавливания показал, что для разработки методики расчета лобовых усилийнеобходимо провести исследования предельно-напряженного состояния массива грунта в забое при продавливании ножевой части тоннельной секции. На основе проведенного аналитического обзора были определены цель и задачи настоящего исследования. Во второй главе представлены аналитические решения и расчетно-теоретическаяметодика для определения лобового усилия внедрения клиновидных элементов ножевой части (НЧ) в грунт. Особенностью процесса внедрения в грунт ножевых элементов головной части продавливаемых секций является принудительный сдвиг грунтовых масс, что описывается в механике грунтов пластическим напряженным состоянием (теорией предельного равновесия сыпучей среды). 8 В этом виде напряжённо-деформируемого состояния грунтов необходимое решение может быть найдено в зависимости от граничных условий для трёх основных задач: плоской, осесимметричной и пространственной. К настоящему времени теоретическое решение разработано В.В. Соколовским в общем виде для плоской задачи предельного равновесия сыпучей среды и В.Г. Березанцевым для осесимметричной. Практические решения получены конечно-разностным методом. Что касается пространственной задачи теории предельного равновесия, то она требует для своего замкнутого решения дополнительные уравнения связи. Для обеспечения замкнутости системы при разработке методики расчета лобового усилия продавливанияприменялось решение плоской задачи предельного равновесия отдельно для элементов, находящихся в горизонтальной и вертикальной плоскости. Таким образом,для элементов вертикальной плоскости рассматривалисьзадачи отдельно для козырька и лотка ножевой части, адля элементов горизонтальной плоскости – задачи для боковых стен ножевой части. При расчете усилия козырька ножевой части применялась плоская задача предельного равновесия. На основе теории Соколовского В.В. определяются области предельного равновесия грунта - минимальная, максимальная и переходная (рис. 1). Границы области зависят от физико-механических характеристик грунта, от угла заострения козырька и от глубины его внедрения. Откосный забой заменяется распределенным боковым давлением P (рис. 1), нарастающим с увеличением глубины. Усилие внедрения козырька ножевой части определяется по формуле: , где , – всестороннее нормальное растягивающее напряжение, – плотность грунта, кН/м3; – угол внутреннего трения грунта, град; – вспомогательный угол, необходимый для дальнейших вычислений, град; – угол трения пары «сталь-грунт», град; – угол раствора переходной области, рад (рис.1); – наружная ширина секции. Рис.1. Расчетная схема для козырька ножевой части lк – длина клина; l – текущая глубина внедрения клина; μ – угол раствора пассивной области; β – угол раствора активной области; θ – угол раствора переходной области; P – пригрузка от откосного забоя; βз – угол наклона забоя, r0, r1 – начальный и конечный радиус переходной области, αк – угол заострения козырька ножевой части, t – толщина секции Цветовые обозначения: - область максимальных напряжений по В.В. Соколовскому (пассивная область OCD); - переходная область (OBC); - область минимальных напряжений по В.В. Соколовскому (активная область OAB); 10 В ходе предварительных расчетов установлено, что влияние лотка ножевой части на общее усилие продавливания около 15%. Для вычисления усилия, ввиду его малого влияния, применялся метод сдвига грунта по граничной круглоцилиндрической поверхности, широко применяемый в практике проектирования для расчета реальных задач устойчивости сооружений и грунтовых массивов. Усилие внедрения лотка ножевой части определяется по формуле: , где 10 Q – сдвигающая равнодействующая сила предельного давления по контактной плоскости НЧ лотка, кН; OA – контактная плоскость ножевой части лотка и грунта, м; – угол заострения клиновидного элемента лотка, град. Основной компонентой лобового усилия продавливания является усилие внедрения вертикальных элементов (боковых стен) ножевой части. Для нахождения усилия внедрения вертикальных элементов откосный забой делится на расчетные слои грунта, в которых рассматриваются только горизонтальные предельные напряжения. Собственный вес учитывается в горизонтальных направлениях в соответствии с удельным сцеплением, как элемент касательных напряжений по границе слоев. Это позволяет рассматривать задачу в такой постановке, как для невесомой среды, решение для которой существует. При разбиении откосного забоя на горизонтальные слои, каждый слой получает свои собственные граничные условия, в виду непрерывного изменения глубины внедрения. Изменение граничных условий в расчетных схемах слоев приводит по всей высоте забоя (от козырька к лотку) к одной из трех стадий (рис.2) развития зон выпирания грунта (областей предельного напряженного состояния грунта). В предельном состоянии в грунтовом массиве образуется зона сдвига, состоящая из трех областей ПНС (рис.2). Сдвиг грунта осуществляется от активной области к пассивной при минимальном превышении предельных тангенциальных напряжений со стороны грунтового массива, действующих вдоль граничной линии скольжения. Для определения существования одной из трех стадий были предложены критерии, позволяющие выбрать необходимый вариант решения для каждого слоя. Критическая глубина внедрения является основным параметром, который определяет возникновение стадии для каждого расчетного слоя грунта. Она находится по формуле: ,где – ширина секции НЧ, м; – угол заострения клина НЧ, град; – угол внутреннего трения грунта, град; – угол трения пары «сталь-грунт», град; – угол раствора области минимальных напряжений,град (область АОВ, рис. 2), – угол раствора области максимальных напряжений, град (область ОСQ, рис. 2), – угол раствора переходной области ПНС, град (область ОВС, рис. 2). Рис.2. Три стадии развития предельного напряженного состояния при внедрении боковых стен ножевой части секции в грунт

Похожие:

	Установка для оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях По п. 1, в которой измерения нагружающего усилия выполняют с помощью датчика усилия в виде балки равного сопротивления		Реферат Введение Разработка мероприятий по предупреждению осложнений и аварий при сооружении скважины
	Технического состояния элементов при сооружении и вводе в эксплуатацию энергоблока ас В. Н. Блохин, В. В. Будзиевский, В. П. Дерий,В. О. Маханев, А. А. Павлович, М. А. Подлатов		Методика определения уровни умственного развития для младших подростков... Поведение собаки оставленной на привязи, поведение по отношению к другим животным
	Расчет сопротивления проводников. Удельное сопротивление Установить зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен		Электрическое сопротивление. Резисторы Цель урока Познакомить учащихся с электрическим сопротивлением проводников как физической величиной. Дать объяснение природе электрического...
	Протокол общественных слушаний по предварительному варианту материалов... Место проведения: Смоленская область, г. Рославль, пл. Ленина, д. 1 «А». Городской Дом культуры		Урок по теме: «Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление» Образовательные: – путем анализа опытных данных, сделать вывод о зависимости сопротивления от длины проводника, площади поперечного...
	Формула специальности Д. Я. Борщов), за основу которых ранее были приняты «Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании...		1. Немного истории Д. Я. Борщов), за основу которых ранее были приняты «Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании...
	Тема: Электрические приборы Узнать о работах Эдисона по усовершенствованию конструкции лампы. Знать формулу для определения рабочего сопротивления нити лампы,...		Ra) и причины вариаций объемной активности радона (ОА Д. Я. Борщов), за основу которых ранее были приняты «Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании...
	«Понятие и методика определения суммы постоянных и переменных затрат» Целью данного реферата является рассмотреть понятие и методику определения суммы постоянных и переменных затрат		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Образовательная: познакомить учащихся с электрическим сопротивлением проводников как физической величиной. Дать объяснение природе...
	Технический университет Ю. Д. Плотников Часть Физика вакуума Д. Я. Борщов), за основу которых ранее были приняты «Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании...		Тема урока: «Электрическое сопротивление. Удельное сопротивление» Цель урока: Познакомить учащихся с электрическим сопротивлением как физической величиной. Дать объяснение природе электрического...