Критерии оценки параметров зоны сдвижений в грунтовом массиве при строительстве наклонных тоннелей

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Критерии оценки параметров зоны сдвижений в грунтовом массиве при строительстве наклонных тоннелей Потёмкин Д. А.1, Трушко О. В.2

1Потёмкин Дмитрий Александрович /Potyomkin Dmitry Aleksandrovich - кандидат технических

наук, доцент;

2Трушко Ольга Владимировна / Trushko Olga Vladimirovna - кандидат технических наук,

доцент,

кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений, строительный факультет, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: в работе рассмотрены общие результаты математического моделирования строительства наклонного эскалаторного тоннеля станции метро «Василеостровская» Санкт-Петербургского метрополитена. Даны рекомендации по критериям оценки параметров зоны сдвижений в многослойной грунтовой среде. Ключевые слова: грунтовый массив, наклонный тоннель, зона сдвижений, деформационные критерии оценки.

В настоящее время в Санкт-Петербурге проводится реконструкция станции метро «Василеостровская», для которой запланировано строительство второго выхода -наклонного эскалаторного тоннеля. Целью работы являлась прогнозная оценка сдвижений, а также выработка критериев оценки геометрических параметров зоны сдвижений в грунтовом массиве и непосредственно земной поверхности в зоне влияния горных работ.

Для прогнозной оценки использовались методы математического моделирования геомеханических процессов на основе метода конечных элементов и данные натурных исследований сдвижений и деформаций горных пород. Инструментом оценки сдвижений и деформаций горных пород является математическое моделирование геомеханических процессов на базе метода конечных элементов, который реализован в программных продуктах ABAQUS и PLAXIS.

Инженерно-геологические условия строительства в С. -Петербурге характеризуются наличием мощной толщи четвертичных отложений мелкодисперсных обводненных грунтов. В расчетах грунты рассматривались как упруго-пластическая среда, прочность которой задается известным критерием Кулона-Мора. Ориентация характерных сечений, по которым производилась оценка параметров зоны сдвижений, показана на рисунке 1 вместе с зоной интенсивных вертикальных смещений (до 0,0010...0,0015м).

Характерные области сдвижений в толще массива локализованы согласно геологическим слоям. Так, максимальные смещения характерны для слоев супесей и суглинков, обладающих пониженными деформационными характеристиками (модуль деформации слоев равен 9,2 МПа и 7,6 МПа соответственно).

Рис. 1. Зона интенсивных вертикальных смещений

Окружающие их слои оказывают сдерживающее воздействие на распространение вертикальных сдвижений. Верхний приповерхностный слой (насыпные грунты и пески) оседает почти равномерно, о чем свидетельствуют практически вертикальные изолинии вертикальных сдвижений.

Область наибольших вертикальных сдвижений в массиве локализована над средней частью тоннеля. Максимальные значения суммарных вертикальных сдвижений (оседаний) составляют около 75-80 мм. Затухание оседаний в массиве происходит ближе к концу тоннеля, где, согласно геологическому строению, залегают слои прочных протерозойских глин. Породы близ земной поверхности, характеризующиеся высокими значениями деформационных характеристик, не создают условия для интенсивного затухания сдвижений над первой третью длины тоннеля. Максимальное оседание на земной поверхности достигает величин 40-45 мм. Вертикальные деформации растяжения над и под тоннелем достигают максимальных значений в слоях суглинков и колеблются в пределах от 0,004 до 0,006.

При этом наибольшие значения горизонтальных смещений локализованы в пределах одного геологического слоя (слой суглинков). Максимальное значение в данной области достигает 36-40 мм. Указанная область повышенных горизонтальных сдвижений влияет на формирование зоны оседаний на земной поверхности: увеличивает размер мульды в поперечном направлении в первой трети по длине эскалаторного тоннеля и значения оседаний в этой зоне. Согласно результатам моделирования, поперечные горизонтальные деформации (деформации растяжения) сбоку от тоннеля на уровне его оси распределены практически равномерно по длине тоннеля, за исключением вышеописанной зоны в слое суглинков.

Поперечные горизонтальные деформации (перпендикулярные горизонтальной проекции оси тоннеля) в массиве над и под тоннелем (деформации сжатия) почти на всем протяжении тоннеля относительно выдержанны. Зона наибольших деформаций, примерно в два раза превышающих средние значения на всей длине тоннеля, локализована в пределах упомянутого выше слоя суглинков.

Для оценки степени влияния горных работ необходимо опираться не только на анализ сдвижений (оседаний), но и на анализ деформаций, как первых производных от сдвижений, так как именно они определяют уровень воздействия на подрабатываемые объекты [1]. Помимо распределений вертикальных сдвижений (оседаний) в мульде, анализировались распределения деформаций наклонов (как первой производной по вертикальным сдвижениям), деформаций кривизны (как

второй производной по вертикальным сдвижениям) и горизонтальных деформаций (как первой производной по горизонтальным сдвижениям).

Ввиду того, что программная реализация МКЭ не позволяла рассчитать наклоны, значения оседаний вместе с горизонтальной координатой по узлам сетки экспортировались во внешнюю систему и там вычислялись наклоны по известной приближенной формуле:

= —,-1

11,1+1

где п и вертикальные сдвижения (оседания), Гу+1 длина интервала между узлами j и j+1.

Деформации кривизны вычислялись по известной приближенной формуле:

, ¡1+1 - ¡1 кп

1ср

где ^ и наклоны двух соседних интервалов, 1ср средняя длина двух интервалов.

Ввиду отсутствия принятых норм и низкой чувствительности рассчитанных на конечно-элементных моделях оседаний к граничным значениям в краевых частях мульды, в качестве основного граничного критерия использовалась величина деформаций наклонов и горизонтальных деформаций ^=^=0.0002. Размеры полумульд в поперечном направлении не превышают 42 м при использовании данного граничного критерия.

В продольном сечении максимальные оседания в мульде достигали уровня в 4045 мм. Наибольшие деформации наклонов достигают значения 0.004. Значения горизонтальных деформаций растяжения достигают 0.0002, сжатия находятся в пределах 0.0006-0.0008. Деформации кривизны могут достигать 0.0002-0.0003 1/м. Наибольшие наклоны в главном поперечном сечении достигают значений 0.00200.0022. Деформации кривизны могут достигать 0.0003-0.0004 1/м, горизонтальные деформации растяжения 0.0005-0.0007, сжатия 0.0019-0.0021. Наклоны по сечению оснований домов достигают значений 0.002-0.003, значения деформаций кривизны находятся в пределах 0.0003-0.0004 1/м, горизонтальные деформации растяжения 0.0005-0.0007, сжатия 0.0019-0.0021.

Если полумульды, образующиеся на земной поверхности, имеют небольшие размеры (первые десятки метров), то для описания форм таких мульд и анализа распределения деформаций в них целесообразно применять интервалы длиной 6-8 м. Анализ данных при больших, чем рассмотренные, длинах интервалов показывает, что значения рассматриваемых величин (наклонов) могут существенно измениться. Значения максимальных деформаций наклонов при длинах интервалов в 15-20 м снижаются до уровня 0.0012-0.0015.

Отдельного исследования требует применение перенагнетания в заобделочное пространство тоннеля для снижения оседаний на поверхности. Обеспечение перенагнетания в 20 % (по объему), апробированное при проходке горизонтального перегонного тоннеля на Фрунзенском радиусе метрополитена, потенциально позволяет исключить оседания на поверхности и даже способно обеспечивать неравномерное пучение (подъем) поверхности с максимумом в районе проекции оси тоннеля. При этом в зоне величины пучения могут достигать 6-8 мм. Такие неравномерные пучения также будут оказывать негативное влияние на несущие конструкции домов, так как максимальные вертикальные деформации наклонов при этом могут достигать 0.0004-0.0006, деформации кривизны 0.00005-0.00007 1/м, горизонтальные деформации растяжения 0.0004-0.0006 сжатия 0.00005-0.00010 [1]. Деформационная картина вблизи тоннеля, проходимого в таких режимах,

существенно усложняется, предсказуемость поведения пород, особенно в запредельном состоянии, снижается.

Литература

1. Территориальные строительные нормы 50-302-04 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге», Санкт-Петербург, 2004, 81с.

Определение параметров динамических явлений для расчёта сейсмостойкости подземных сооружений Трушко О. В.1, Потёмкин Д. А.2

1Трушко Ольга Владимировна / Trushko Olga Vladimirovna - кандидат технических наук,

доцент;

2Потёмкин Дмитрий Александрович /Potemkin Dmitriy Aleksandrovich - кандидат технических

наук, доцент,

кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений, строительный факультет, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: определены параметры динамических явлений, влияющие на сейсмостойкость подземных сооружений. Установлены закономерности распределения динамических напряжений вокруг выработки в зависимости от расстояния динамического явления и энергии горного удара. При помощи компьютерной программы «TABLE CURVE 2D» была выявлена гипербалическая зависимость, которая использовалась в «Инструкции по выбору типа и параметров крепи капитальных и подготовительных горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна» для расчета динамических напряжений: при оценке устойчивости горных выработок и выборе параметров сейсмостойких крепей. Ключевые слова: рудник, горные выработки, удароопасные месторождения, динамические явления, массив горных пород.

При землетрясениях и горных ударах, природа которых связана с разрывом сплошности массива горных пород в области концентрации напряжений, часть высвобождающейся энергии переходит в энергию сейсмических волн, которая составляет примерно 10 %.

В качестве очага горных ударов принимается радиус сферически симметричной области, в которой выделяется основное (не менее 90 %) количество сейсмической энергии.

С очагом отождествляют также возникающую при горных ударах область неупругих деформаций, которая является разгружающей зоной (зоной разрушения) внутри массива.

Параметры горных ударов (период, длина волны, длительность и амплитуда) оцениваются по сейсмограммам, регистрируемым на наземных и подземных сейсмических станциях.

Линейный размер зоны разгрузки (разрушения) пород Rc, нагруженных ранее до значений, равных пределу прочности пород стсж, определяется [1]:

Rc= 3 '

V асж

где s - полная энергия горного удара, Дж; G - модуль сдвига горной породы.