ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ПОЭТАПНОГО РАСКРЫТИЯ ВЫРАБОТКИ БОЛЬШОГО ПРОЛЕТА НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ "КРЕПЬ - ГРУНТОВЫЙ МАССИВ"

УДК 625.4

Ю. С. Фролов, Шэнь Цяофэн

Влияние методов поэтапного раскрытия выработки большого пролета на напряженно-деформированное состояние системы

«крепь - грунтовый массив»

Поступила 29.01.2019

Рецензирование 12.02.2019 Принята к печати 12.02.2019

В статье обоснован метод поэтапного раскрытия выработки при строительстве односводчатой станции в малопрочных скальных грунтах. Представлены материалы исследования напряженно-деформированного состояния крепи станционной выработки большого пролета и окружающего грунтового массива, полученные по результатам численного анализа методом конечных элементов. Проведен краткий литературный обзор методов строительства транспортных тоннелей большого пролета и односводчатых станций метрополитена, в том числе в Китайской Народной Республике. Решение задачи выполнено с учетом поэтапного раскрытия выработки пролетом 25 м при различных технологических схемах выполнения проходческих работ. В разработанных конечно-элементных моделях выделялись основные расчетные этапы, соответствующие этапам проходческих работ по схеме боковых пилот-тоннелей и по схеме поперечной диафрагмы. Результаты численного моделирования оценивались по величинам осадок поверхности земли, по характеру напряженно-деформированного состояния грунтового массива, по величине вертикальных и горизонтальных смещений характерных точек на временной крепи / первичной обделке. В табличной и графической формах представлены полученные результаты, проведен их анализ. По совокупности результатов проведенных исследований проходческие работы при строительстве односводчатой станции в инженерно-геологических условиях, близких к принятым в исходных данных, следует выполнять по методу боковых пилот-тоннелей.

Комплексная оценка прогнозирования устойчивости выработки большого пролета по разработанной методике численного моделирования позволит обоснованно принимать оптимальные инженерные решения при строительстве односводчатых станций на линиях метрополитена в городах КНР.

Ключевые слова: большепролетная выработка, варианты раскрытия выработки, численное моделирование, сравнительный анализ.

Общие положения

Односводчатые станции, сооружаемые закрытым способом, достаточно широко распространены в метрополитенах мира в основном при заложении в полускальных и скальных грунтах различной степени прочности. Конструктивная форма односводчатой станции в таких условиях довольно проста. Но осуществить проект на практике возможно тем успешнее, чем прочнее грунты и чем меньше пролет выработки. При сооружении станции горным способом выбор и обоснование типа и конструкции временной крепи выработки являются одним из ключевых вопросов, тесно связанных со способом раскрытия выработки до проектного контура (на полное сечение или по частям, а если по частям, то в какой последовательности).

Из-за ограниченной прочности грунтовых массивов площадь сечения каждой выработки, раскрываемой одним забоем, должна контролироваться в определенном диапазоне. В противном случае из-за того, что сечение

слишком велико, выработка потеряет устойчивость.

Очевидно, что большая площадь сечения выработки односводчатой станции не позволяет осуществить проходку методом сплошного забоя или способом опертого свода в малопрочных скальных грунтах. Анализ мирового опыта строительства тоннелей горным способом позволяет для этой цели рекомендовать новоавстрийский способ (КЛТМ), который отвечает на современном этапе развития тоннелестроения требованиям высоких технологий при проходке в малопрочных скальных грунтах [1-3]. Сущность метода заключается в поэтапном раскрытии выработки по частям опережающими забоями на полный профиль и поддержанием ее по всему периметру на контурной податливой крепи (первичной обделке) до возведения постоянной обделки, которую бетонируют за один прием, начиная с обратного свода и кончая стенами и сводом тоннеля. По мере продвижения забоя первичная обделка деформируется, принимая на себя

часть нагрузки. Деформации контура каждой выработки, общее состояние временной крепи, а также момент достижения устойчивого состояния системы «крепь - грунтовый массив» фиксируется по результатам постоянного инженерного мониторинга.

Количество, площадь опережающих забоев и конструкция крепи зависят от площади поперечного сечения выработки, физико-механических характеристик и структурного строения грунтового массива, а также глубины заложения выработки (рис. 1) [4-6].

В большинстве строящихся линий метрополитена в таких городах Китая, как Чунцин, Далянь, Циндао, Шэньчжэнь, Чанчунь, строительство станционных комплексов осуществ-

ляется закрытым способом в скальных грунтах различной прочности на глубине, соизмеримой с пролетом станции [7].

Значительная часть станционных сооружений выполнена в виде односводчатых конструкций из монолитного железобетона и сооружалась трудоемкими традиционными способами опертого свода или опорного ядра.

Внедрение современных технологий в разнообразных инженерно-геологических условиях и различная глубина заложения станций требуют принятия таких конструктивно-технологических решений, для которых недостаточно, а зачастую и невозможно использовать метод аналогий и повторных решений без предварительной адаптации проекта к кон-

Железобетонные анкеры в своде, набрызг-бетон 100-150 мм, металлические арки. Пролет до 14 м

Железобетонные анкеры в своде, набрызг-бетон 50-100 мм, стальные арки, уширение пят. Пролет до 14 м

Железобетонные анкеры по своду, опережающая крепь кровли, грунтовый контрфорс в забое ка-лотты, набрызг-бетон 200-300 мм, решетчатые арки. Пролет до 18 м

Железобетонные анкеры по периметру, опережающая крепь кровли, грунтовый контрфорс в забое, набрызг-бетон 200-300 мм, решетчатые арки. Пролет до 14 м

Железобетонные анкеры по периметру, фибергла-совые по внутреннему контуру 1-4. Набрызг-бетон 300-350 мм (в том числе в обратном своде), стальные арки во всех выработках. Пролет до 25 м

Железобетонные анкеры в своде и стенах, фи-бергласовые - в поперечной диафрагме. Набрызг-бетон 300-350 мм (в том числе в обратном своде калотты), стальные арки. Пролет до 18 м

Рис. 1. Схемы раскрытия большепролетных выработок в малопрочных скальных грунтах

кретным условиям строительства. Это обусловливает необходимость научного обоснования принятых в проекте конструктивно-технологических решений в каждом конкретном случае строительства односводчатых станций метрополитена.

Цель исследований, изложенных в данной работе, - обосновать метод поэтапного раскрытия выработки при строительстве одно-сводчатой станции в малопрочных скальных грунтах путем сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) крепи и грунтового массива при различных технологических схемах выполнения проходческих работ.

Для решения задачи использована удобная в практическом отношении методика численного моделирования методом конечных элементов (МКЭ), получившая широкое распространение в мировой практике решения геомеханических задач при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов [8-10].

Исходные данные

Станция метрополитена расположена в малопрочном скальном массиве на глубине 20 м от шелыги свода. Характеристики малопрочных скальных грунтов соответствуют IV классу по классификации грунтов, принятой в КНР (таблица).

Форма и размеры поперечного сечения станции соответствуют типовым решениям односводчатых станций на линиях метрополитена в КНР.

Комбинированная крепь выработок выполняется из набрызг-бетона, металлических арок, железобетонных и фибергласовых анкеров (рис. 2). Параметры временной крепи приняты в соответствии с рекомендациями Q-системы, разработанной норвежскими специалистами

для оценки качества грунтового массива и выбора соответствующей крепи выработки [11].

Q-система основана на классификации RQD (Rock Quality Determination), которая включена в межгосударственный стандарт «Грунты. Классификация» [12].

Длина железобетонных анкеров, расположенных с шагом 1 м по периметру проектного очертания выработки, принята 5 м, диаметр стержня 28 мм, толщина набрызг-бетона с металлическими арками 350 мм. Длина фиберг-ласовых анкеров, расположенных по внутреннему контуру опережающих забоев, принята 2 м, диаметр стержня 22 мм, толщина набрызг-бетона 200 мм.

Расчетные схемы конечно-элементных моделей

Для сравнительного анализа НДС крепи и грунтового массива при различных технологических схемах выполнения проходческих работ, с учетом пролета выработки, инженерно-геологических условий и опыта строительства тоннелей пролетом 18-25 м в малопрочных скальных грунтах, были выбраны два варианта из шести технологических схем раскрытия выработки, представленных на рис. 1:

- раскрытие выработки по схеме боковых пилот-тоннелей (схема 3);

- раскрытие выработки по схеме поперечной диафрагмы (схема 6).

Для проведения численных экспериментов с использованием программного комплекса FLAC построены две конечно-элементные модели. Базовые геометрические размеры моделей определены в соответствии с размерами сечения выработки и глубиной заложения станционного тоннеля таким образом, чтобы граничные условия не влияли на деформации грунтового массива при выполнении проходческих работ.

Физико-механические характеристики грунтов

Класс Плотность у, кН/м3 Угол внутреннего трения ф, град Сцепление С, МПа Модуль деформации E, ГПа) Коэффициент Пуассона ц

I >26,5 >60 >2,1 >33 <0,2

II 60-50 2,1-1,5 33-20 0,2-0,25

III 26,5-24,5 50-39 1,5-0,7 20-6 0,25-0,3

IV 24,5-22,5 39-27 0,7-0,2 6-1,3 0,3-0,35

V <22,5 <27 <0,2 <1,3 >0,35

а)

б)

Рис. 2. Поперечное сечение платформенного участка станции

В пределах сечения станционной выработки сетка конечных элементов соответствовала каждой из двух принятых схем раскрытия опережающих выработок (рис. 3).

С целью получения достоверной информации о напряженном состоянии грунта прилегающая к тоннелю часть грунтового массива смоделирована более частой сеткой объемных элементов в отличие от периферии, где она представлена более крупными элементами. Грунтовый массив моделируется весомыми объемными элементами (толщина модели 1 м) со следующими физико-механическими характеристиками: прочность на сжатие 15 МПа; модуль деформации 1 300 МПа; коэффициент

Пуассона 0,35; сцепление 0,2 МПа; угол внутреннего трения 32°; плотность грунта 25,0 кН/м3.

Исходные данные о физико-механических свойствах грунтового массива позволяют рассматривать его как упругопластическую среду, прочность которой задается критерием прочности Кулона - Мора.

Набрызг-бетонная крепь со стальными арками толщиной 350 мм по периметру проектного очертания выработки и набрызг-бетон-ная крепь толщиной 200 мм по внутреннему контуру опережающих выработок моделируются элементами оболочки. Приведенные модули упругости крепи соответственно равны: Е^ = 23 000 МПа и Е^ = 2 300 МПа.

Рис. 3. Расчетная схема метода конечных элементов

Железобетонные и фибергласовые анкеры моделируются анкерными элементами. Прочность закрепления железобетонных и фибергласовых анкеров определена в соответствии с рекомендациями, изложенными в [13], и принята в расчетах для железобетонных анкеров 176 кН, для фибергласовых - 138 кН на 1 м длины анкера.

Результаты исследований

В разработанных конечно-элементных моделях выделялись основные расчетные этапы, соответствующие технологическим этапам проходческих работ. Последовательность выполнения проходческих работ при раскрытии станционной выработки методом боковых пилот-тоннелей и методом поперечной диафрагмы показана на рис. 4.

Результаты численного моделирования оценивались по величинам осадок поверхности земли, по характеру НДС грунтового массива, по величине вертикальных и горизонтальных смещений характерных точек на контурной крепи / первичной обделке (см. рис. 4).

Осадки поверхности земли

На рис. 5 представлены графики оседания земной поверхности в результате поэтапного раскрытия и крепления выработки станционного тоннеля при различных методах выполнения проходческих работ.

Сравнивая осадки земной поверхности на каждом из этапов раскрытия выработки для принятых в расчетах условий заложения станционного тоннеля, следует отметить:

- граница мульды оседания при выполнении проходческих работ по методу боковых пилот-тоннелей находится от оси выработки на расстоянии трех пролетов и при методе поперечной диафрагмы увеличивается на 15 %;

- максимальная осадка поверхности при методе боковых пилот-тоннелей составила 16 мм, в то время как максимальная осадка при методе поперечной диафрагмы увеличилась на 60 % и достигла 25 мм;

- при выполнении проходческих работ по методу боковых пилот-тоннелей осадки поверхности стабилизировались после раскрытия и закрепления калотты (этап 5), а при методе поперечной диафрагмы осадки продолжались до раскрытия выработки на полное сечение.

Напряженно-деформированное состояние грунтового массива

По результатам расчетов определены значения главных напряжений 01 и 03 в грунтовом массиве вблизи выработки при разных вариантах раскрытия на полное сечение. В обоих случаях наблюдается идентичный характер распределения главных напряжений в прилегающем к выработке массиве и близкие по значению величины главных напряжений.

На рис. 6, а приведены картины распределения главных напряжений 03. Наибольшие сжимающие напряжения в грунте зафиксированы под пятами свода крепи и в обоих случаях не превосходят 2 МПа. В целом уровень сжимающих напряжений вокруг выработки, раскрытой

1 - проходка и крепление бокового пилот-тоннеля стрельчатого очертания в левой части калотты;

2 - проходка и крепление бокового пилот-тоннеля стрельчатого очертания в правой части калотты;

3 - разработка нижнего уступа и крепление левого бокового пилот-тоннеля;

4 - разработка и крепление нижнего уступа правого пилот-тоннеля;

5 - разработка грунта и крепление средней части калотты;

6 - разработка ядра сечения;

7 - разработка и крепление лотковой части выработки

1 - проходка и крепление левой части калотты;

2 - разработка и крепление правой части калотты;

3 - разработка и крепление левой части уступа;

4 - проходка и крепление правого уступа;

5 - разработка и крепление лотковой части станционной выработки

Рис. 4. Последовательность выполнения проходческих работ при раскрытии выработки: а - по методу боковых пилот-тоннелей; б - по методу поперечной диафрагмы

а)

Расстояние от оси выработки, м -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

"Г

б)

К н

0

1 -10

СР

8 -12 о

С -14

К

* -16

<3 -18

-20 Н

-22 -24

Расстояние от оси выработки, м -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Этап_1 Этап_2 Этап_3 Этап_4 Этап_5 Этап_6 Этап 7

-26-1

Рис. 5. Мульды оседания земной поверхности при раскрытии выработки: а - методом боковых пилот-тоннелей; б - методом поперечной диафрагмы

по методу боковых пилот-тоннелей, несколько ниже, чем при методе поперечной диафрагмы. Следует отметить появление незначительных растягивающих напряжений 01 после разработки лотковой части выработки при методе поперечной диафрагмы (см. рис. 6, б).

Форма и размеры области предельного равновесия вокруг выработки на различных этапах раскрытия по двум технологическим

схемам выполнения проходческих работ приведены на рис. 7.

Анализируя результаты расчетов, следует отметить, что активный рост зоны предельного равновесия в случае выполнения работ по первому варианту прекращается на расстоянии 5 м после раскрытия четвертого этапа. При выполнении работ по второму варианту границы области предельного равновесия еще

а)

б)

Рис. 6. Распределение главных напряжений о3 и о1, Па, в грунтовом массиве

при раскрытии выработки: а - методом боковых пилот-тоннелей; б - методом поперечной диафрагмы

а)

б)

Рис. 7. Формирование области пластических деформаций в грунтовом массиве вокруг выработок

при раскрытии:

а - методом боковых пилот-тоннелей; б - методом поперечной диафрагмы

на этапе раскрытия калотты распространяются до 14 м, а после раскрытия выработки на полное сечение достигают земной поверхности. Это свидетельствует о возможной потери устойчивости выработки и необходимости усиления несущей способности временной крепи.

Напряженно-деформированное состояние временной крепи

Характер и величины смещений контура набрызг-бетонной крепи, выявленные в результате численного анализа, представлены

на рис. 8. Деформации крепи фиксировались на каждом этапе раскрытия станционной выработки в сечениях по оси станции (точки а и $), в сечениях свода, расположенных под углом 45° (точки а\ и аг), и в сечениях стен (точки Ь\ и Ъг). Анализ этих графиков позволяет заключить, что в малопрочных скальных массивах, характеризующихся низкими деформационными и прочностными показателями, максимальные смещения шелыги свода практически равны смещениям в лотке тон-

14

¡12 -

о>

5ю 0> а

о>

I 8

ъу \Ь2

м

И

II //

п //

// // Ьу/ь-

// //

/ / / /

ы * '/ьу. 1-Метод боковых тшот-тониелег !

- г--Метод поперечной диафрагмы

2 3 4 5

Этапы раскрытия выработки

Рис. 8. Смещения набрызг-бетонной крепи выработки

неля, по какой бы технологической схеме проходческие работы ни выполнялись.

Однако динамика прироста смещений по этапам разработки различна. Существенно отличаются и величины этих смещений. Так, к концу пятого этапа разработки по методу боковых пилот-тоннелей выделяется резкий скачок смещений в своде тоннеля, замедляясь на последних этапах до 23 мм, а по методу поперечной диафрагмы максимальные смещения превысили этот показатель примерно на 30 %, достигнув 33 мм. Аналогичная разница в смещениях крепи наблюдается и в сечениях на уровне шелыги свода боковых тоннелей. Различие между величинами горизонтальных смещений на уровне горизонтального диаметра незначительно.

Максимальное усилие в анкерах при методе боковых пилот-тоннелей достигло 38,1 кН, в то время как при методе поперечной диафрагмы оно увеличилось на 42 % и достигло 54,2 кН.

Напряжения в набрызг-бетонной крепи при методе боковых пилот-тоннелей составили 5,34 МПа, а при методе поперечной диафрагмы они увеличились на 40 % и достигли 7,45 МПа.

Заключение

Обеспечение устойчивости большепролетных выработок и разработка оптимальных конструктивно-технологических решений при выполнении проходческих работ в первую очередь зависит от правильно принятых методов прогнозирования и последующих расчетов НДС системы «крепь - грунтовый массив».

По совокупности результатов проведенных исследований, выполненных с учетом деформационно-прочностных свойств грунтового массива и последовательности выполнения проходческих работ, можно заключить, что оптимальным решением при сооружении односводчатых станций в малопрочных скальных грунтах является метод раскрытия выработки на полное сечение по схеме боковых пилот-тоннелей.

Библиографический список

1. Фролов Ю. С., Мордвинков Ю. А. Современные способы сооружения горных тоннелей в слабых скальных и полускальных грунтах // Метро и тоннели. 2006. № 2. С. 18-21.

2. Оптимизация конструкции обделки большепролетных подземных выработок, сооружаемых по технологии НАТМ / В. Е. Меркин, В. В. Чеботаев, Е. В. Щекудов, Т. Н. Щелочкова // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки : сб. науч. тр. ОАО «ЦНИИС». М., 2008. Вып. 248. С. 7-11.

3. Jeur S. D., Gupta M. Construction of mined tunnel in soft ground with NATM in Pirpanjal tunnel VA (KM. 152.600 - KM. 158.730) // Underground facilities for better environment and safety : proceedings of the World Tunnel Congress, 2008, Agra, India. Agra, 2008. Vol. 2. P. 1372-1381.

4. Evert Hoek. Big tunnels in bad rock // ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2001. № 9. P. 726-740.

5. Tang J. S., Liu S. Y. & Tong L. Y. Stability analysis and excavation schemes of large-span highway tunnel under complex geological conditions // Underground space : the 4th dimension of metropolises : proceedings of the 33rd ITA-AITES World Tunnel Congress, Balkema, Prague, Czech Republic. Prague, 2007. Vol. 1. P. 739-744.

6. Chang Xiang, Sun Zhaoyuan, Zhai Jinying. Selection of excavation methods for arge cross-section tunnels on passenger-dedicated Railways // Underground facilities for better environment and safety : proceedings of the World Tunnel Congress, 2008, Agra, India. Agra, 2008. Vol. 2. P. 1241-1254.

7. Фролов Ю. С., Шэнь Цяофэн. Проблемы сооружения большепролетных станций метрополитена в малопрочных скальных грунтах // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте : сб. тр. X Между-нар. конф. / ПГУПС. СПб., 2017. С. 107-109.

8. ФроловЮ. С., МордвинковЮ. А. Система «Крепь - грунтовый массив». Численный анализ НДС с учетом технологии проходки тоннеля // Метро и тоннели. 2006. № 5. С. 32-35.

9. Шэнь Цяофэн, Фролов Ю. С. Обеспечение устойчивости выработок большого пролета при строительстве станций метрополитена в малопрочных скальных грунтах // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте : сб. тр. Х Междунар. конф. / ПГУПС. СПб., 2017. С. 273-279.

10. Численный анализ напряженно-деформированного состояния обделки тоннеля ТК № 1 совмещенной дороги Адлер - горноклиматический курорт «Альпика-сервис» / Г. Н. Полянкин, А. О. Кузнецов, А. Г. Полян-кин, Д. А. Аношенко // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2012. Вып. 28. С. 125-130.

11. Barton N. R. NMT support concepts for tunnels weak rocks // Tunnels and Metropolises : proceedings of the ITA-AITES World tunnel Congress, Sao Paulo, 1998. Rotterdam, 1998. Vol. 1. P. 273-278.

12. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М. : Стандартинформ, 2013. 37 с.

13. ВСН 126-90. Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов. Нормы проектирования и производства работ. М. : Минтрансстрой СССР, 1991.

Yu. S. Frolov, Sheng Qiaofen

The Methods for the Stage-by-Stage Excavation of Large-Span Tunnelling on the Stress-Strain States

of Large-Span Tunneling and Ground

Abstract. Purposes: To substantiate the method for the stage-by-stage excavation of tunneling during the construction of a single-vaulted station in low-strength rocky soils. Method: Mathematical modeling based on the finite element method. Results: The stress-strain states of the support of large-span tunneling and ground are shown. A brief literary review of the construction of transport large-span tunnels and single-vaulted metro stations, including the ones in the People's Republic of China, has been carried out. A way to substantiate this method is to carry out numerical analyzing by taking the development of phased disclosure 25m-span into account with in various technological schemes for the performance of tunnel works. In the developed finite element models, according to the lateral pilot tunnel scheme and the transverse diaphragm scheme the main design stages were distinguished, corresponding to the stages of tunneling works. The results of numerical modeling were estimated using the precipitation values from the earth's surface, by analyzing the nature stress-strain state of the ground and, the magnitude of the vertical and horizontal displacements of the characteristic points on the temporary support/primary linings. The results are presented in tabular and graphical forms, and the corresponding analysis is carried out. Our research results show that the tunneling works in the construction of a single-vaulted station in geotechnical conditions should be carried out according to the method of lateral pilot tunnels, which are in agreement with the initial data.

Practical significance: A comprehensive assessment of the prediction for the sustainability of the large-span development using the developed method of numerical simulation allows us to make the best reasonable engineering decision for the construction of one-vaulted station on Chinese metro lines.

Key words: large-span tunnelling; methods for excavation; numerical simulation; comparative analysis.

Фролов Юрий Степанович - доктор технических наук, профессор Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. E-mail: fus.frolov@yandex.ru

Шэнь Цяофэн - аспирант Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. E-mail: 18813094515@163.сom