Обоснование основных технологических параметров микротоннелирования на основе теории упругости и механики подземных сооружений

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 300-307

= НАУКИ о ЗЕМЛЕ =

УДК 624.191.6

Обоснование основных технологических параметров микротоннелирования на основе теории упругости и механики подземных сооружении *

Н.С. Булычев, П.В. Школьников

Аннотация. Приводятся расчеты основных параметров обделки микротоннеля на действия собственного веса грунта, нагрузок на тоннель с поверхности земли и осевых усилий от домкратных станций. Также приведена методика выбора расчетным путём сечения арматуры для стального каркаса продавливаемой железобетонной трубы и количества промежуточных домкратных станций.

Ключевые слова: микротоннель, многослойное кольцо, теория упругости, осевое усилие, сечение арматуры.

Выбор основных технологических параметров микротоннелирования, по которым в дальнейшем ведутся расчёты, необходим для сокращения общего времени проектирования, повышения точности полученных результатов и повышения экономического эффекта за счет снижения себестоимости труб.

В период строительства тоннель, сооружаемый методом микротоннели-рования, испытывает нагрузки не только от массива пород и сооружений, находящихся на поверхности над тоннелем, но и значительные осевые давления от домкратных станций, которые носят кратковременный характер. В период эксплуатации микротоннель нагружен только массивом пород и сооружениями на поверхности. При выборе железобетонной трубы для сооружения тоннеля сочетание эксплуатационных нагрузок и осевых усилий от домкратных установок являются решающими факторами.

Рассмотрим первый технологический параметр при выборе труб для микротоннелей — эксплуатационные нагрузки.

* 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).

Предлагаемая методика определения напряженного состояния обделок тоннелей для микротоннелирования при действии собственного веса грунта основана на современных представлениях механики подземных сооружений [1] о взаимодействии подземной конструкции и окружающего массива пород как элементов единой деформируемой системы и представлена поэтапно (рис. 1).

Исходными данными для расчёта на действие собственного веса грунта служат геометрические размеры микротоннеля (радиусы слоёв Кг). Модули деформации Ег и коэффициенты Пуассона ы слоев, параметры начального поля напряжений 7Н и Л.

1. Определяем начальное поле напряжения:

а,

(0) = р)0) + р20) СО!3 20; т(0 = д(0) 8Іп 26,

где р)0) = 1И ^; р20)

1И —; д20)

-Р2

-7И —; Еі+і, Еі

_ Кг-1, —

радиусы слоев кольца (м); Ег (г = 1, 2) — модули деформации материалов слоев кольца (МПа); V (г = 1,2) — коэффициенты Пуассона материалов сло!в кольца; Л — коэффициент бокового давления в ненарушенном массиве грунта; Н — глубина заложения тоннеля (м); 7 — удельный вес грунта (кН/м3); в — угол поворота (градус).

Рис. 1. Общая расчетная схема

2. Находим дополнительное поле напряжений:

ст^ _ p^ + p,1) cos 29; тГ1 = sin 20,

где p01) = -7Я ^; p21) = -yH —; g(1) = 7Я —.

3. Определяем коэффициенты передачи напряжений на контурах слоёв кольца по следующим формулам, причём для каждого i — того слоя отдельно, начиная с внешнего, равного нулю:

d'

к * 2

ко

П1

К* =

іі

К * =

і2

где ^2*і(і-і) = К**2(і-і) = 0 (т.к. д2(і) = 0, условие работы бентонитовой рубашки); а' = с2(с2 + З); а' = с2(2с4 + с2 + 1); а2 = с2(З - с2); а'2 = с2(с2 + 1); а3 = Зс2 + 1 + Б; а'3 = 2с2 + с6 + с4 - Б; а4 = Зс2 - 1 - Б; а'4 = с4(с2 + 1) - Б; Ьт = с4(З - с2) + Б; Ь'т = 2с4 + с2 + 1 + Б; Ь2 = с4(З - с2) + Б; Ъ'2 = с2 + 1 + + Б; Ьз = с2(Зс2 + 1); Ь'3 = с2(с2 + 1) + 2; Ь4 = с2(Зс2 - 1); Ь4 = с2(с2 + 1); Б = Ч+т3; N = З - , с = Е1/Е2; Пі = с2(К + 1); ^ = 2с2 + К - 1;

д' = с2(^ - 1) + 2; П2 = ^ + 1.

4. Зная коэффициенты передачи напряжений, находим дополнительные напряжения на контурах слоев: при г = Ет:

Рщ> = -1И^ Кад; Рад = -И і-^

при Г = Е2:

(1) тт І + Л ТУ*

Р0(2) = —7Н 2 K0(1) • К0(2);

Рад = -УН

5. Дополнительные напряжения на контактах слоёв суммируются с начальными напряжениями, и получаем полные контактные напряжения: при г = К1:

1 + Л Л ^ 1 — Л

p0

при r = R2:

p0(2) = yH —

2

Р0

Р2

6. По величине полных напряжений на контактах слоёв определяем нормальные тангенциальные напряжении в каждом слое обделки микротоннеля: при r — Ri-1:

ов — Po(i)mi - po(i - l)m2 -

-

при r — Ri:

Ов — Po(i)m'i - po(i - 1)m2 -

-

2c2 c2 +1 . . 2 л 2 p2 + 1

где mi = ; m2 = C—i; m[ — m2; m2 = ^2-1; ni = 4c2 с_гр; n2 = p-i)?;

— е4+6с2+т . — 2 с4+2с2 —1 . n — . n — 2 2с2—с4+1 • n — 4 с2 + т . n —

n3 — (с2_1)2 ; n4 — ^ (с2_1)2 ; n1 — n3 ; n2 — ^ (c2 —1)2 ; n3 — ^ (c2 —1)2 ; n4 — n2 .

По данному алгоритму можно составить программу для вычисления нормальных тангенциальных напряжений в каждом слое обделки микротоннеля, варьируя различными величинами (глубиной заложения, геометрическими размерами тоннеля, слоями обделок, начальными напряжениями).

В городских условиях при использовании технологии микротоннелиро-вания большое значение имеет величина воздействия на тоннель с земной поверхности, как составляющая эксплуатационных нагрузок (вес транспорта, зданий и сооружений). Давление с земной поверхности также считается одним из технологических параметров при выборе труб для микротоннелей.

Дополнительная приведенная нагрузка от воздействия на тоннель авто-и железнодорожного транспорта [2] вычисляется по формуле:

2 ( H H \ ,

Рприв — 1---------arctan---------------- ------—2 P

Л a a

где Н — глубина заложения тоннеля, м; а — половина размера приложенной к земной поверхности нагрузки вдоль оси тоннеля, м; Р — действительная нагрузка на поверхности земли. Коэффициент (1 + ц) учитывает динамическое воздействие на обделку нагрузки типа НК-80 (колёсный транспорт), НГ-60 (гусеничный транспорт) и СК-14 (железнодорожный транспорт).

Конструкция арматурного каркаса (величина шага навивки и диаметр арматуры) ж.б. трубы является определяющим технологическим параметром при проходке тоннеля на заданной глубине.

По расчетному сопротивлению бетона сжатию определяем диаметр арматуры для арматурного каркаса под расчетную нагрузку.

Расчёт производится согласно п. 3.15 [3]. Вычисляем значение ат:

М . .

ат = нШ ’

где М — расчетный максимальный изгибающий момент, кН-м; Щ — расчетное сопротивление бетона сжатию для предельных состояний первой группы, МПа; Но — рабочая высота сечения (толщина трубы), мм; Ь — ширина сечения (по длине трубы), равная 1000 мм (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема для определения шага навивки арматуры

При заданном значении ат находим по таблице в пособии значение (. Необходимую общую площадь сечения арматуры определяем по формуле:

Ая =

М • 106 ЕзФо

Т.к. растянутая зона может располагаться как внутри, так и снаружи обделки трубы, арматуру второго ряда принимаем такой же. Следовательно, полученную общую площадь сечения арматуры делим на два ряда. Варьируя диаметром (от 6 до 12 мм) или количеством витков, подбираем шаг армирования.

где Л'8 — общая площадь армирования на один ряд в расчетном сечении. Определяем количество витков К на один погонный метр обделки:

К =

А!

А

арм

8

где Аарм — площадь принятого сечения одного витка арматуры для кольцевой навивки.

Определяем шаг армирования (шаг навивки арматуры) АЬ:

АЬ =

Действия усилий от домкратной станции в технологии микротоннелиро-вания имеют не менее важное значение при выборе типоразмера труб для последующего её использования при продавливании в массиве.

Необходимые данные для расчёта труб на действие усилий от домкратной станции следующие:

N — максимальное усилие домкратов, действующее на торец трубы (МН);

Е — площадь поперечного сечения трубы (м2);

Е — модуль деформации бетона (МПа);

[а] — предел прочности бетона на сжатие (МПа);

Ь — толщина обделки (стен трубы) (м); г — средний радиус обделки (стен трубы) (м);

Ь — длина трубы (м).

1. Условие соблюдения прочности обделки (стенки трубы) в зависимости от осевого давления домкратной станции [4] следующее:

N

[а] < а = и- е

2. Определяем дополнительные нормальные тангенциальные и радиальные напряжения в стенке трубы от воздействия домкратной станции:

N

а*, = и (а г + а в); авгП = а г = О = 7ЕЬ; = ав = (а - О) 7.

3. Находим силовые факторы, возникающие в стенках трубы от осевого давления:

М = ЬЬ2; N = ЬЬ.

Или для более точного расчёта:

/Ро(г)ш1—ро(г—1)ш2— (Р2(г)п-д2(г)п2-р2(г-1)п3+д2(г-1)п4) 008 20

М=

Ро(г)т'1-ро(г-1)т'2- (р2(г)п'1-д2(г)п'2-р2(г-1)п'3+д2(г-1)п'4)сло82в\ 2;

12 ) ;

N = /Ро(г)т1-ро(г-1)т2- (р2(г)п1-д2(г)п2-р2(г-1)п3+д2(г-1)щ) 00820 +

+ po(i)ml-po(i-1)m2- (P2(i)n'l-q2(i)n'2-p2(i-1)n'3+q2(i-1)n4) cos 20 ^

4. Проверяем условие прочности обделки. Оно будет обеспечено, если выполняется условие:

Г 1^ fN1

[е] < е = Yfjr

Если условие прочности не соблюдено, повышаем прочностные характеристики трубы в соответствии с расчётной нагрузкой, затем проверяем условие прочности ещё раз.

Важным элементом при строительстве тоннеля является определение необходимого количества домкратных станций.

Усилие продавливания става труб домкратной станцией МТПК зависит от бокового сопротивления трения труб по бентонитовому раствору на всей длине участка проходки, а также от горно-геологических условий проходки.

Р > R6em •

где К — коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от полноты исходных данных в пределах 1,0-1,1.

Сопротивление става труб при продавливании определяется по формуле [5]:

R6eHm — [(2(q + p)DH + G) f6 ент + nDHСбент]

где q — вертикальная составляющая горного давления, кН/м2; p — горизонтальная составляющая горного давления, кН/м2; f6eHm — 0,1 — коэффициент трения железобетона по бентонитовому раствору; Сбент — коэффициент сцепления железобетона с бентонитовым раствором; DH — наружный диаметр, м; G — вес 1 п. м. трубы, кН [8]; L — длина трассы (продавливаемого участка труб), м; N — общая сила продавливания применяемой основной домкратной станции.

Представленные технологические параметры микротоннелирования и математическая модель для их расчёта позволяют за относительно короткое время подобрать необходимые типоразмеры и параметры железобетонных труб для микротоннелирования для реального объекта, используя данные горнотехнических условий, а также делать выводы о прочности самих труб в массиве пород.

Список литературы

1. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: учебн. пособие для вузов. М.: Недра, 1989. 270 с.

2. Осетрова О.В. Метод расчёта труб, прокладываемых с применением бестраншейных технологий: дисс. ... канд. техн. наук. Тула, 1999. 130 с.

3. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (СНиП 2.03.01-84).

4. Копылов С.И. Расчёт несущей способности обделки железобетонной трубы 01100 мм при сооружении канализационного коллектора в городе Зеленограде с применением микрощитового комплекса. Тула: ТулГУ, 2002.

5. Расчёт усилий продавливания тоннеля // Метрострой. 1981. №4. С.19—21.

6. Мосты и трубы (СНиП 2.05.03-84).

7. Московские городские строительные нормы МГСН 6.01-03 «Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением микротоннелепроходческих комплексов и реконструкция трубопроводов с применением специального оборудования». М.: Изд-во Правительства Москвы, 2003.

8. РК 2411-02. Выпуск 2. Конструкции железобетонных труб для прокладки методом микротоннелирования. Рабочие чертежи труб d — 1200 мм, d — 1500 мм. М., 2002. 45 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.

Substantiation of the basic technological parameters of microtunneling on the basis of the theory of elasticity and mechanics of underground constructions

N.S. Bulychev, P.V. Shkolnikov

Abstract. Calculations of a microtunnel on act of a body weight of soil, act of loadings on a tunnel from a surface of land and act of axial force from jacks stations are resulted. Also calculation of sampling of cross-section of armature for a steel carcass of a pressed through reinforced-concrete pipe is resulted.

Keywords: microtunnel, the multilayer ring, theory of elasticity, axial force, cross-section of armature.

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 27.05.2010