Выбор конструкции железобетонных труб для микротоннелирования

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 308-313

= НАУКИ о ЗЕМЛЕ =

УДК 624.191.6

Выбор конструкции железобетонных труб для микротоннелирования *

Н.С. Булычев, П.В. Школьников

Аннотация. Приводится обоснование рационального выбора конструкции обделок микротоннелей на основе аналитического метода расчёта многослойной крепи выработок круглого сечения, используя однослойную модель крепи, с последующим анализом полученных графических зависимостей.

Ключевые слова: толщина крепи, конструкция, микротоннель, графические зависимости.

При сооружении микротоннелей большое внимание уделяют их прочности и, как следствие, геометрическим размерам и пропорциям (соотношение внутреннего диаметра и толщины стенки крепи). Конструкция крепи зачастую может зависеть от технологии возведения тоннеля. Если это транспортный тоннель, имеющий диаметр более 2 м, то крепь состоит из тюбингов (блоков) высокой точности. Если это канализационный или кабельный тоннель в масштабах микрорайона, имеющий диаметр до 2 м, то крепь целесообразно сооружать из труб методом микротоннелирования. Выбор технологии зависит от многих факторов: условия проходки, стоимость материала, долговечность. Однако взаимное влияние прочностных свойств горного массива и толщин стенки крепи микротоннелей не исследовалось, хотя имеет важное значение.

Рассмотрим подробнее один из основных факторов при выборе конструкции крепи — условия проходки, при наличии следующих факторов: одинаковых марки бетона и конструкции арматурного каркаса.

На рис. 1 представлена простая расчётная схема однослойной обделки ж.б. крепи микротоннеля, имеющего круглое сечение. На тоннель с модулем деформации Е\ действует эквивалентная нагрузка Рэкв от массива пород, имеющего модуль деформации Ео.

* Работа выполнена в рамках Научно-образовательного центра «Проблемы рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов» при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» (гос. контракт № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России (2009-2013)» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

ах=а*уН

ау=а*ХуН

Ео

Е1

Рис. 1. Расчётная схема однослойной крепи

При расчётах используем однослойную модель крепи, т.к. рассматриваются только эксплуатационные нагрузки после завершения проходческих работ, когда слой бентонита, применявшийся при продавливании трубы вслед за щитом, уже заполнил все имеющиеся пустоты и вывалы между массивом и крепью тоннеля, затвердел и стал частью самого массива пород.

Условия заложения тоннеля моделируем соотношением модуля деформации крепи Е\ к модулю деформации массива пород Ео. Примем эти соотношения равными поочерёдно: 0,1; 1; 10 и 100.

При расчёте начальные напряжения примем равными единице для обеспечения равных условий для всех вариантов глубин заложения тоннеля, а коэффициент бокового давления Л примем равным поочерёдно: 0,4; 0,6; 0,8 и 1.

На основании статистического анализа применяемых ж.б. труб при строительстве микротоннелей можно сделать вывод, что отношение диаметров (внешнего к внутреннему) находится в пределах от 1,15 до 1,4.

На основании аналитического метода расчёта многослойной крепи выработок круглого сечения, используя однослойную модель крепи, произведём вычисления тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения крепи тоннеля от горного массива пород.

При помощи такого вычислительного эксперимента получены значения максимальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения крепи тоннеля, которые сведены в табл. 1.

На основании данных табл. 1 построен и проанализирован ряд графических зависимостей для последующего выбора конструкции и технологии возведения обделок тоннелей.

В данном случае предложен метод подбора толщины крепи микротоннеля по заданным горнотехническим условиям. Следует отметить, что во всех графических зависимостях приведены относительные величины. Абсолютные

величины отсутствуют, но для получения конкретных данных по толщине стенки трубы и нагрузок необходимо задавать конкретные величины.

Рассмотрим величины напряжений при отношении модулей деформаций Е1/Е0 = 0,1, когда прочность массива пород отличается от прочности материала крепи тоннеля в 10 раз.

Изучая значения максимальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения крепи тоннеля по табл. 1, можно сделать вывод, что применение железобетонной крепи в крепких породах необязательно, т.к. напряжения в обделке незначительные при всех значениях толщины трубы и вероятность обрушения горного массива весьма низка. Тем не менее при сооружении канализационного коллектора установка крепи обязательна в связи с агрессивностью сточных вод и мероприятиями по охране окружающей среды, в том числе защите от загрязнения грунтовых вод.

Таблица 1

Экстремальные значения нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре сечения крепи, МПа

Е1/Е0 А Ci= ri/ro

1,15 1,20 1,30 1,40

0,1 1,0 0,138 0,143 0,152 0,160

0,8 0,162 0,168 0,178 0,190

0,6 0,184 0,192 0,206 0,220

0,4 0,207 0,216 0,233 0,250

1 1,0 1,25 1,25 1,25 1,25

0,8 1,40 1,40 1,40 1,40

0,6 1,55 1,55 1,55 1,55

0,4 1,70 1,70 1,70 1,70

10 1,0 5,56 4,82 3,94 3,44

0,8 5,99 5,33 4,56 4,11

0,6 6,42 5,84 5,19 4,78

0,4 6,85 6,36 5,82 5,44

100 1,0 7,83 6,32 4,78 4,01

0,8 11,1 9,71 7,63 6,20

Здесь ci = ri/ro — отношение внешнего радиуса крепи к внутреннему; Е\/Ео — отношение модуля деформации материала крепи к модулю деформации массива породы; А — коэффициент бокового давления пород.

Рассматривая величины напряжений при отношении модулей деформаций Е1/Е0 = 1 можно заметить, что при одинаковых коэффициентах бокового давления напряжения в крепи не меняются с увеличением её толщины. Поэтому, при проходке микротоннеля в породах с равной крепостью с материалом обделки основным технологическим фактором при выборе

конструкции и толщины крепи являются нагрузки, действующие на тоннель с поверхности земли.

Рассмотрим график зависимостей (рис. 2) при отношении модулей деформаций Е\/Ео = 10, когда прочность материала крепи тоннеля отличается от прочности массива пород в 10 раз.

Я — 5э Ое---, г

?„уН

- о О \ -

- При е

0°

1 1 1,'30 —I

1, 15 1,20 1 25 1,35 1 40

С1

Рис. 2. Зависимость максимальных нормальных тангенциальных напряжений от толщины крепи при Е\/ Ео = 10

Из графика видно, что с увеличением толщины крепи уменьшаются напряжения в обделке тоннеля (при в = 90о — напряжения в своде тоннеля), но и увеличивается себестоимость трубы. Также необходимо заметить, что при отношении радиусов крепи Т\/го = 1, 25 и более при Л = 0, 4 начинают появляться сжимающие напряжения (при в = 00 — напряжения в боковых частях тоннеля), при которых использование арматуры недопустимо. Один из способов получения надёжной крепи без арматурных стержней — фибробетон. Крепь из фибробетона одинаково хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие. Для микротоннелей при необходимости уменьшения толщины стенки крепи (Г1/Г0 < 1, 25) требуется закладывать арматурные стержни с частым шагом для увеличения прочности обделки.

Рассмотрим график зависимостей (рис. 3) при отношении модулей деформаций Е1/Е0 = 100, когда прочность материала крепи тоннеля отличается от прочности массива пород в 100 раз.

При сооружении тоннеля, когда модуль деформации железобетонной крепи в 100 раз больше модуля деформации массива пород (например полутеку-чая или текучая глина), коэффициент бокового давления Л всегда стремится к единице. Следовательно, принимаемые ранее значения Л = 0, 4 и Л = 0, 6 в данном случае не имеют физического смысла.

5 _ О0

Об— ——

/.уН

10

При 0 /

0°

4^ /°°

V5 1 ь°-ч— +

1, ^ 1,20 1 35 К40

\0°

С1

Рис. 3. Зависимость максимальных нормальных тангенциальных напряжений от толщины крепи при Е\/ Ео = 100

Из графика видно, что с увеличением толщины крепи значительно уменьшаются максимальные напряжения в обделке тоннеля (при в = 900 — напряжения в своде тоннеля), а в боковой части тоннеля при Л = 0,8 и тх/то > 1, 25 напряжения не меняются. Причём при значениях коэффициента бокового давления Л близких к 0,75 при толщине крепи в интервале 1, 35 > Г\/то > 1, 23 напряжения в боковой части тоннеля могут полностью отсутствовать. Поэтому оптимальным значением толщины крепи при Е\/Ео = 100 можно считать отношение радиусов 1, 35 > тх/то > 1, 23.

Используя приведённый графический метод, можно выбрать рациональную конструкцию трубы для микротоннеля, в широком диапазоне свойств пород и природных полей напряжений на основе современного аналитического метода расчета крепи, что позволит повысить безопасность и эффективность строительства тоннелей.

Список литературы

1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1982. 270 с.

Булычёв Николай Спиридонович (bulychev@tula.net), д.т.н., профессор, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.

Школьников Павел Вячеславович (shcolnikovpv@mail.ru), аспирант, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.

The choice of structure of ferro-concrete pipes for microtunneling

N.S. Bulychev, P.V. Shkolnikov

Abstract. The substantiation of a rational choice of a design of supports microtunnels is based of an analytical method of calculation multilayered support development of round section, using single-layered model of support, with the subsequent analysis of the received graphic dependences.

Keywords: thickness of support, a design, a microtunnel, graphic dependences.

Bulychev Nikolai (bulychev@tula.net), doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground constructions, Tula State University.

Shkolnikov Pavel (shcolnikovpv@mail.ru), postgraduate student, department of geotechnology and underground constructions, Tula State University.

Поступила 23.05.2010