Численное моделирование процессов сдвижения в грунтовом массиве при строительстве станций метрополитена открытым способом

_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_

Numerical modelling of processes of displacement in the soil massif at construction of subway stations in the open way Potemkin D.1, Trushko O.2 Численное моделирование процессов сдвижения в грунтовом массиве при строительстве станций метрополитена открытым способом Потёмкин Д. А.1, Трушко О. В.2

'Потёмкин Дмитрий Александрович /Potemkin Dmitriy — кандидат технических наук, доцент;

2Трушко Ольга Владимировна / Trushko Olga — кандидат технических наук, доцент, кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений, строительный факультет, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Аннотация: объектом исследования являются геомеханические процессы, происходящие в породном массиве при сооружении выработок метрополитена. Для прогнозной оценки использовались методы математического моделирования геомеханических процессов на основе метода конечных элементов и данные натурных исследований сдвижений и деформаций горных пород. В работе представлены результаты прогнозной оценки сдвижений и деформаций, применимые для конкретных горно-геологических условий сооружения подземных выработок в районе северной части Невско-Василеостровской линии метрополитена Санкт-Петербурга.

Abstract: the object of the study is the geomechanical processes in the rock mass in the construction of the underground excavations. The methods of mathematical modeling of geomechanical processes on the basis of the finite element method and the data from field investigations of displacement and deformation of rocks were used for the prospective evaluation. The paper represents the results of the prospective evaluation of displacements and deformations that are applicable to specific geological conditions of the construction of underground excavations in the area of the northern part of the Nevsko-Vasileostrovskaya Line of the Saint Petersburg Metro.

Ключевые слова: сдвижения и деформации горных пород, оседания земной поверхности, подземное строительство, тоннели метрополитена.

Keywords: displacement and deformation of rocks, surface subsidence, underground construction, metro tunnels.

Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вмещающего элементы конструкций станции «Новокрестовская», «ул. Савушкина» и «Яхтенная» выполнены в программном комплексе ABAQUS, реализующем метод конечных элементов.

Геометрические размеры грунтового массива для всех трех станций приняты равными: длина (по оси X) - 400 м, ширина (по оси Y) - 120 м, высота (по оси Z, являющейся вертикальной) - 50 м.

Грунтовые слои, ввиду своей многочисленности [1, 2, 6], разнообразия свойств и мощности, сгруппированы из соображений схожести физико-механических свойств. В расчетах грунты рассматриваются как упруго-пластическая среда, прочность которой задается известным критерием Кулона-Мора:

2c  cos ф + о3 (1 + sin ф) / ч

=-:-:- (1>

1 - sin ф

где а1 и а3 - максимальные и минимальные главные напряжения в массиве, с - сцепление, ф - угол внутреннего трения.

Пример расчетных физико-механических характеристик групп грунтовых слоев для станции «Новокрестовская» представлен в таблице 1.

№ п/п Наименование Мощность слоя, м у, кг/м3 Е, МПа V с, МПа Ф, °

1. Группа №1 6 1950 20,0 0,33 0,001 26

2. Группа .№2 10 1960 7,0 0,37 0,010 14

3. Группа №°3 4 1850 7,5 0,40 0,010 10

4. Группа .№4 5 1950 12,0 0,36 0,012 13

5. Группа .№5 - 2130 100,0 0,35 0,050 21

Примечание: у - объемный вес грунта; Е - модуль деформации грунта; с - сцепление; ф - угол внутреннего трения; V - коэффициент Пуассона.

Конструкция станционного комплекса моделировалась следующими конструктивными элементами [3, 4, 5], вступающими в работу согласно технологическим этапам строительства станции: «стена в грунте»; двухпутевой перегонный тоннель, проводимый сквозь объем грунта подлежащий выемке при сооружении станции; четыре последовательно возводимых перекрытия, появляющихся после соответствующих этапов земляных работ; буронабивные сваи-колонны, устраиваемые в грунте до начала его выемки.

Ввиду симметричности станции относительно продольной оси (ось Х) рассмотрена только половина ее конструкции и грунтового массива, то есть решалась осесимметричная задача.

На рисунке 1 представлена конечно-элементная модель грунтового массива в районе строительства ст. м. «Новокрестовская» с «выемкой» в месте расположения самой станции и подходящих перегонных двухпутевых тоннелей.

Принятые при моделировании геометрические размеры конструктивных элементов: общая длина станции - 204,6 м; ширина - 25,6 м. Глубина «стены в грунте» - 25,0 м при мощности ограждения - 1,0 м по протяженной части и 0,7 м - в торцах станции; диаметр двухпутевого перегонного тоннеля - 10,4 м при толщине обделки - 0,5 м; четыре перекрытия, устраиваемые на отметках 15,2 м; 9,0 м; 5,5 м и 2,59 м (за нулевую отметку принят уровень головки рельсов в перегонном тоннеле) имеют толщину 1,2 м (верхнее) и 0,6 м (три нижних). На рисунке 2 показаны основные элементы конструкции станции и перегонных тоннелей.

Рис. 1. Конечно-элементная модель грунтового массива с «выемкой» в месте расположения выработок

Рис. 2. Основные элементы конструкции станции и перегонных тоннелей

Результирующее напряженно-деформированное состояние грунтового массива складывалось поэтапно, при этом последовательно производился расчет следующих этапов:

геостатический расчет собственного веса вмещающего станцию грунтового массива; сооружение в грунтовом массиве конструкции «стена в грунте» и устройство свай-колонн; проведение двухпутевого перегонного тоннеля, в том числе через объем грунта, подлежащего выемке при сооружении станции; первый этап земляных работ - выемка грунта от поверхности до первого перекрытия (рисунок 2); монтаж конструкции первого перекрытия; второй этап земляных работ - выемка грунта между первым и вторым перекрытием; монтаж конструкции второго перекрытия; третий этап земляных работ - выемка грунта между вторым и третьим перекрытием; монтаж конструкции третьего перекрытия с частичным демонтажем обделки в колотте перегонного тоннеля в пределах внутреннего объема станции; четвертый этап земляных работ - выемка грунта между третьим и четвертым (последним) перекрытием с частичным демонтажем обделки в боках перегонного тоннеля в пределах внутреннего объема станции (рисунок 3); монтаж конструкций четвертого перекрытия.

Грунтовый массив моделировался восьмиузловыми призматическими элементами типа "solid", элементы конструкций - четырехузловыми оболочечными элементами типа "shell" и двухузловыми балочными элементами типа "beam". Общее количество элементов модели для ст. м. «Новокрестовская» составило 96000 шт., для ст. м. «ул. Савушкина» - 112000 шт., для ст. м. «Яхтенная» - 100000 шт. Разница в количестве элементов объясняется различной конфигурацией и мощностью грунтовых слоев и, как следствие, различным количеством элементов, потребовавшихся для дискретизации области грунтового массива.

Влияние строительства станции метрополитена на смещения в грунтовом массиве оценивалось величинами вертикальных (по оси Z) и горизонтальных (по оси Y, перпендикулярно оси станции) смещений.

Численное моделирование строительства станций метрополитена «Новокрестовская», «ул. Савушкина» и «Яхтенная» [7] показало следующие результаты.

На рисунке 3 представлен общий вид зоны действия вертикальных смещений от строительства ст. м. «Новокрестовская».

U,

Рис. 3. Общий вид зоны действия вертикальных смещений в грунтовом массиве от строительства

ст. м. «Новокрестовская», мм

Максимальные вертикальные смещения поверхности могут достигать значения 0,052 м непосредственно у «стены в грунте» при 0,065 м в нижней части «стены» на глубине 15,0...25,0 м. Оседание до 0,002 м прослеживается на расстоянии до 33,0...35,0 м от «стены» (45,0...47,0 м от оси станции) по оси Y.

Горизонтальные смещения (по оси Y) в сторону станции до 0,002 м прослеживаются на расстоянии до 85,0...91,0 м от «стены» (97,0...102,0 м от оси станции).

Численные значения вертикальных о горизонтальных смещений земной поверхности (от «стены в грунте» по оси Y в средней части станции) представлены в таблицах 2 и 3 соответственно.

Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м

0,00000 -0,05245 15,66790 -0,03189 32,79590 -0,00196

1,99535 -0,05138 18,26240 -0,02354 36,03920 -0,00133

2,12516 -0,05148 20,95480 -0,01666 39,40270 -0,00165

9,33928 -0,04817 23,75400 -0,01270 42,89540 -0,00144

10,76530 -0,04536 26,65750 -0,00706 46,51800 -0,00217

13,17170 -0,03954 29,67180 -0,00332 50,27960 -0,00204

Таблица 3. Численные значения горизонтальных смещений земной поверхности при строительстве

ст. м. «Новокрестовская»

Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м

0,0000 -0,0017 15,6681 -0,0269 32,7965 -0,0101

1,9954 -0,0063 18,2627 -0,0262 36,0401 -0,0079

2,1252 -0,0065 20,9553 -0,0257 39,4036 -0,0083

9,3391 -0,0193 23,7546 -0,0203 42,8963 -0,0067

10,7653 -0,0223 26,6582 -0,0162 46,5190 -0,0072

13,1719 -0,0239 29,6724 -0,0111 50,2806 -0,0059

На рисунке 4 представлена эпюра результирующих вертикальных смещений от строительства ст. м. «ул. Савушкина».

и, из

+2.580Й-01 -З.ОООе-ОЗ -б,500е-0Э -1.0006-02 -1,350е-02 -1.700е-02 -2,050е-02 -2,400е-02 -2.750е-02 -3,100е-02 -3.450е-02 -3,800е-02 -4,150е-02 -4.500е-02 -9,9ООе-02

Рис. 4. Общий вид зоны действия вертикальных смещений в грунтовом массиве от строительства

ст. м. «ул. Савушкина», мм

Максимальные вертикальные смещения поверхности могут достигать значения 0,033 м непосредственно у «стены в грунте» при 0,043 м в нижней части «стены» на глубине 15,0...20,0 м. Оседание до 0,003 м прослеживается на расстоянии до 43,0...46,0 м от «стены» (55,0...58,0 м от оси станции) по оси Y.

Горизонтальные смещения (по оси Y) в сторону станции до 0,002 м прослеживаются на расстоянии до 92,0...96,0 м от «стены» (104,0...108,0 м от оси станции).

Численные значения вертикальных о горизонтальных смещений земной поверхности (от «стены в грунте» по оси Y в средней части станции) представлены в таблицах 4 и 5 соответственно.

Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м

0,00000 -0,03279 13,17400 -0,02380 29,66560 -0,00471

1,99501 -0,03039 13,18580 -0,02378 32,78960 -0,00366

4,06787 -0,03156 15,67170 -0,01948 36,03250 -0,00311

6,21772 -0,03067 18,26600 -0,01557 39,39700 -0,00288

8,45051 -0,02982 20,95820 -0,01163 42,88950 -0,00283

10,76740 -0,02694 23,75380 -0,00868 46,51310 -0,00299

10,77360 -0,02693 26,65440 -0,00625 50,27450 -0,00307

Таблица 5. Численные значения горизонтальных смещений земной поверхности при строительстве

ст. м. «ул. Савушкина»

Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м

0,0000 -0,0005 15,6719 -0,0220 32,7902 -0,0152

1,9950 -0,0055 18,2662 -0,0215 36,0332 -0,0134

4,0679 -0,0083 20,9586 -0,0211 39,3977 -0,0127

6,2178 -0,0126 20,9963 -0,0211 42,8902 -0,0113

8,4506 -0,0156 23,7542 -0,0193 46,5138 -0,0109

10,7675 -0,0190 26,6548 -0,0182 50,2753 -0,0098

13,1742 -0,0205 29,6661 -0,0162 54,1782 -0,0094

На рисунке 5 представлена эпюра результирующих вертикальных смещений от строительства ст. м. «Яхтенная».

и, из

— г + 1.9239-01

1 - -2.6009-03 - -4.8639-03

- -7.1679-03

- -9.450е-03

- -1 .1738-02

- -1.4028-02

- -1.6309-02

- -1.8589-02

- -2.0879-02

в - -2.3159-02 - -2.3439-02 - -2.7729-02 - -3.0009-02 1- -8.3319-02

Рис. 5. Общий вид зоны действия вертикальных смещений в грунтовом массиве от строительства

ст. м. «Яхтенная», мм

Максимальные вертикальные смещения поверхности могут достигать значения 0,026 м непосредственно у «стены в грунте» при 0,030 м в нижней части «стены» на глубине 6,0...20,0 м. Оседание до 0,0026 м прослеживается на расстоянии до 40,0...46,0 м от «стены» (52,0...58,0 м от оси станции) по оси Y. Горизонтальные смещения (по оси Y) в сторону станции до 0,002 м прослеживаются на расстоянии до 91,0...96,0 м от «стены» (103,0...109,0 м от оси станции).

Численные значения вертикальных о горизонтальных смещений земной поверхности (от «стены в грунте» по оси Y в средней части станции) представлены в таблицах 6 и 7 соответственно.

Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м

0,00000 -0,02719 13,17900 -0,01622 29,67250 -0,00323

1,99579 -0,02447 15,67800 -0,01298 36,03860 -0,00259

4,06911 -0,02459 18,27180 -0,00969 39,40370 -0,00249

6,22030 -0,02320 20,96510 -0,00729 42,89500 -0,00268

8,45379 -0,02172 23,76040 -0,00557 46,51930 -0,00263

Таблица 7. Численные значения горизонтальных смещений земной поверхности при строительстве

ст. м. «Яхтенная»

Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м Расстояние от стены, м Оседание, м

0,0000 -0,0049 13,1792 -0,0199 29,6731 -0,0137

1,9958 -0,0091 15,6783 -0,0201 36,0393 -0,0118

4,0691 -0,0115 18,2722 -0,0200 39,4044 -0,0105

6,2204 -0,0145 20,9655 -0,0187 42,8957 -0,0103

8,4539 -0,0167 23,7608 -0,0172 46,5200 -0,0092

На рисунке 6

б)

§

н

в Й ё ам

е

а

0,0

0,0000 -0,0100 -0,0200 -0,0300 -0,0400 -0,0500

Расстояние от "стены в грунте", м

20,0 40,0 60,0 80,0 100,0

120,0

-0,0600

ст. м. "Новокрестовская" »ст.м. "Яхтенная

ст.м. "ул. Савушкина"

Расстояние от "стены в грунте", м

§

н

.а

ч

а т н о

=

р

о г е и н

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

ст. м. "Новокрестовская" ст.м. "Яхтенная

ст.м. "ул. Савушкина"

Рис. 6. Распределение вертикальных (а) и горизонтальных (б) смещений перпендикулярно оси станции

от «стены в грунте» в массив

Таким образом, численное моделирование поведения, вмещающего станционные

комплексы грунтового массива, показало, что наибольшие величины вертикальных и

горизонтальных смещений в пределах зоны влияния в нем будет вызывать строительство ст. м.

«Новокрестовская», наименьшее - ст. м. «Яхтенная»; при этом общие размеры самой зоны

влияния имеют схожие значения.

Литература

1. Алексеев А. В., Нагорный С. Я., Рютина Т. П. Оценка физико-механических свойств верхнепротерозойских глин, как среды строительства подземных сооружений Санкт-Петербурга. АО «Тим». Санкт-Петербург, 1993. 118 с.

2. Кремнева Р. Н. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия сооружения Ленинградского метрополитена. В сб. «Вопросы инженерной геологии Ленинградского экономического района». ЦБТИ. Ленинград, 1960.

3. Потемкин Д. А., Деменков П. А., Очнев В. Н. Напряженно-деформированное состояние обделок станционного комплекса метрополитена испытывающего влияние свайного фундамента. «Записки Горного института». Санкт-Петербург. Том 185, 2010. С. 235-239.

4. Пособие по проектированию метрополитенов. Государственный проектно-изыскательский институт «Метрогипротранс». Трансстрой. М., 1992. 76 с.

5. Протосеня А. Г., Огородников Ю. Н., Потемкин Д. А. и др. Механика подземных сооружений. Пространственные модели и мониторинг (монография). СПГГУ-МАНЭБ. СПб., 2011. 355 с.

6. Технический отчет по инженерно-геологическим изысканиям для разработки проектной документации. Строительство Невско-Василеостровской линии метрополитена метрополитена от станции «Приморская» до станции «Зоопарк». 2743-ИИ. Ленметрогипротранс, 2012.

7. Отчет о работе «Прогноз сдвижения грунтового массива на участке строительства невско-василеостровской линии санкт-петербургского метрополитена от ст. «Приморская» до ст. «Зоопарк». Горный университет, Санкт-Петербург, 2013. 139 с.

Features to reduce dynamic loads in scraper conveyor Shepelina P.

Особенности снижения динамических нагрузок в скребковых конвейерах

Шепелина П. В.

Шепелина Полина Валерьевна /Shepelina Polina — кандидат технических наук, доцент, кафедра путевых и строительных машин и робототехнических комплексов, Московский государственный университет путей сообщения императора Николая II, г. Москва

Аннотация: приводятся типовые причины возникновения динамических нагрузок в конструкциях скребковых конвейеров и их возможные последствия. Затронуты вопросы защиты оборудования конвейера при внедрении предохранительных устройств, снижающих негативное воздействие динамических нагрузок на элементы скребкового конвейера. Для более эффективной эксплуатации цепного конвейера приводятся конструктивные требования к приводам конвейеров с цепным тяговым органом. Сравниваются приводы, регулируемые и нерегулируемые по скорости.

Abstract: are typical causes of dynamic loads in designs of conveyors and their possible consequences. The issues of protection of the equipment of the conveyor in the implementation of safety devices, reducing the negative impact of dynamic loads on the elements of the scraper conveyor. For more effective operation of the chain conveyor are design requirements for the conveyor drives chain traction body. Compares the regulated and non-regulated drives for speed.

Ключевые слова: скребковый конвейер, динамические нагрузки, тяговый орган, цепь, гидромуфта.

Keywords: scraper conveyor, dynamic load, a traction on the chain, fluid coupling.

В последнее десятилетие резкий рост добычи угля в России обуславливает в числе прочих факторов рост грузопотоков на основе комплексной автоматизации и механизации. Наличие