Формирование напряженного состояния временной крепи при строительстве транспортного тоннеля СКЖД вблизи склона

© К.П. Безродный, М.О. Лебедев, 2012

УДК 622.831

К.П. Безродный, М.О. Лебедев

ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРАНСПОРТНОГО ТОННЕЛЯ СКЖД ВБЛИЗИ СКЛОНА

Приведены результаты натурных исследований формирования напряженного состояния временной крепи из набрызгбетона при строительстве железнодорожного тоннеля СКЖД вблизи склона. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния системы «крепь — массив» для рассматриваемых инженерно-геологических условий. Полученные результаты свидетельствуют о возможности разработки метода расчета крепей на базе данных натурных исследований в сопоставимых условиях в сочетании с моделированием НДС методом конечных элементов, адаптированного для конкретных условий. Ключевые слова: тоннель, временная крепь, сталеполимерный анкер, набрызгбе-тон, системы «крепь — массив».

Строительство и реконструкция транспортных тоннелей на Северном Кавказе, как правило, ведется в сложных инженерно-геологических и инженерно-технических условиях. В ряде случаев в соответствии с рельефом местности тоннели располагаются вблизи склонов. В частности, при реконструкции в настоящее время железнодорожных тоннелей по побережью Черного моря на участке Туапсе-Адлер, часть трассы всех тоннелей проходит вблизи склонов.

При строительстве тоннеля по новой трассе первого из тоннелей на указанном участке, институтом Ёен-метрогипротранс был выполнен геотехнический мониторинг. Одной из задач этого мониторинга являлось определение напряженно-деформированного состояния временной крепи в натурных условиях. На участке тоннеля, расположенном вблизи склона (рис. 1), были выполнены натурные исследования формирования напряженного состояния крепи.

Тоннель однопутный длиной 618 м. Проходка тоннеля ведется в грунтах от неустойчивых до относительно устой-

чивых. Коэффициент крепости грунтов, вмещающих тоннель, колеблется от 0,8 до 3,0 по Протодъяконову. Фли-шевая толща представлена переслаиванием алевролитов, мергелей, песчаников, реже аргиллитов. Породы сильнотрещиноватые, местами трещиноватые, от малопрочных до средней прочности. Глубина заложения тоннеля по трассе не превышает 40 метров (до шелыги).

В таких, достаточно сложных горно-геологических условиях, для крепления тоннеля был применен набрыз-гбетон. Это стало возможным после отработки этой технологии в еще более неблагоприятных условиях Большого Петлевого тоннеля [1].

Проходка тоннеля осуществлялась уступным способом (калоттная и штроссовая части) с механизированной разработкой грунта комбайном АТМ 75 (Австрия).

Крепление набрызгбетоном было осуществлено на средней (протяженной) части тоннеля, за исключением припортальных участков, где применялся аркобетон (рамная крепь из двутавра №30 с заполнением межрамного пространства тяжелым бетоном).

Разработка породы по каждому уступу ведется заходками по 1 метру комбайном ATM 75. Разработанная порода грузится в МоАЗ-64011 и вывозится в отвал. Набрызгбетонная крепь возводится вслед за забоем после каждой заходки на 1 метр. Арки изготавливаются из арматуры 16—20 A-III (рис.2).

До установки арматурных арок по контуру бурятся шпуры под сталепо-лимерные анкера, которые затем соединяются с арматурной аркой. Ста-леполимерный анкер представляет собой арматурный стержень 25 A-III, который вводится в шпур диаметром 36 мм с предварительно заведенными в него полимерными ампулами. Интенсивным вращением арматурного стержня при его подаче в шпур, ампулы разрываются и их содержимое перемешивается, создавая быстрот-вердеющую массу.

Нанесение набрызгбетона осуществляется Австрийской машиной «Путц-мастер», при этом ускоритель схватывания «жидкое стекло» соединяется с

основной смесью в сопле. Набрызгбе-тон наносится несколькими слоями до проектной толщины за один проходческий цикл, после чего начинается разработка следующей заходки.

Калоттная часть тоннеля проходится на всю длину, после чего начинают разработку нижнего уступа (штроссы). Длина заходки аналогична проходке калотты, т.е. 1 метр.

Натурные исследования на участке тоннеля вблизи склона заключались в определении нормальных тангенциальных напряжений по периметру крепи путем заложения в ее конструкцию струнных датчиков и определением усилий в арматурных стержнях при помощи арматурных динамометров (рис. 2 и 3). Данные элементы исследований позволяют получить полную картину взаимодействия системы «крепь — массив».

По результатам наблюдений определяли нормальные тангенциальные напряжения в бетоне по периметру крепи (рис. 4) и нормальные силы арматуре (рис. 5).

Рис. 2. Конструкция временной крепи из набрызгбетона

Изучение формирования напряженно-деформированного состояния крепи из набрызгбетона позволило

выявить особенности его развития в соответствии с порядком разработки забоя (раскрытия сечения по частям).

Рис. 3. Установленная контрольно-измерительная аппаратура в арматурный каркас перед нанесением набрыз-гбетона

Качественно процесс формирования напряженно-деформированного состояния разделен на пять этапов: первый, в течение двух недель после возведения крепи, имеет большую интенсивность; второй, в течение еще двух недель, характеризуется снижением скорости роста напряжений; третий — стабильным напряженным состоянием; четвертый — изменением напряженного состояния при проходке штроссовой части и пятый — затуханием роста напряженного состояния после возведения постоянной обделки.

В соответствии с полученными результатами через месяц после проходки калоттной части в рассматриваемых условиях напряженное состояние временной крепи стабилизируется. Причем уровень сжимающих напряжений

в бетоне и усилий в арматуре со стороны склона больше, чем с нагорной стороны в 2 раза. В дальнейшем со стороны склона напряженное состояние остается стабильным, а с нагорной стороны начинает уменьшаться вплоть до проходки через 4,5 месяца штрос-совой части. В бетоне напряжения приняли растягивающие значения.

Изменение напряженного состояния крепи начинается при нахождении забоя уступа за 7 метров. При этом со стороны склона отмечается увеличение напряжений сжатия на 0,3 МПа, а с противоположной стороны аналогичное увеличение напряжений растяжения. Дальнейшее приближение забоя уступа вызывает увеличение напряжений с обеих сторон. Сразу после разработки уступа в наблюдаемом сечении напряжения с нагорной стороны возвращаются к значениям предшествующим началу влияния проходки уступа, а с противоположной стороны становятся больше на 1,5 МПа.

При отходе забоя уступа на 6 метров с нагорной стороны выделяется резкий скачек напряжений на 10 МПа, что подтверждается так же и арматурным динамометром.

Последующие измерения в течение еще 1,5 месяцев (до возведения постоянной обделки) показали незначительное продолжение роста напряжений в крепи. К концу IV этапа нормальные тангенциальные напряжения в бетоне составили 12 МПа со стороны склона и 7,3 МПа с нагорной стороны, а усилия в арматуре на внешнем контуре соответственно 14,5 кН и 8 кН.

Измерения, выполненные после возведения постоянной обделки, показали уменьшение нормальной силы в рабочей арматуре. Таким образом, можно говорить о стабилизации напряженного состояния крепи.

I этап

о

*

э

¡5

о К

И

«

Ж А О

е

50 ^ 40 30 20 10 0

Продолжительность наблюдений, дата

V этап 15

12

9

6

3

0

-3

-6

е

о

н

ь

л а а

и П

и н

е

и е

н и

а н

т е

е ж

о к

н р

ь =

л а

а н

ж

р

о

и

-деф-я

-деф-я

Рис. 4. Формирование деформаций и нормальный тангенциальные напряжений в бетоне калоттной части опыггного участка

I этап

I

24.08.06 23.10.06 22.12.06 20.02.07 21.04.07 20.06.07 19.08.07 Продолжительность наблюдений, дата

0 со стороны склона с нагорной стороны

Рис.5. Формирование нормальной силы в рабочей продольной арматуре крепи

Полученная картина формирования напряженного состояния крепи позволяет сказать, что в данных инженерно-технических условиях массив со стороны склона все время оставался устойчивым и выполнял функции подпорной стены, а со стороны склона шло развитие бокового давления. Такому взаимодействию системы «крепь — массив» способствовала форма напластования, показанная на рис. 1.

Незначительное увеличение трещи-новатости массива и изменение угла напластования на расстоянии 3 метров от рассмотренного сечения (в сторону уменьшения расстояния до границы склона), существенно изменили картину формирования напряженного состояния крепи. Так, на третьем этапе, уменьшение напряженного состояния отмечалось с обеих сторон, а после разработки уступа отмечалось более сложное перераспределение напряженного состояния крепи по периметру. С нагорной стороны напряжения в бетоне калоттной части до возведения постоянной обделки все время оставались в зоне растяжения.

Оценка напряженно-деформированного состояния системы «крепь — массив» при известной структуре массива и фактических деформационно-прочностных характеристик массива, определенных методом сейсмоакусти-ки, может быть выполнена численным моделированием методом конечных элементов (МКЭ).

Задачей моделирования является изучение влияния на напряженно-деформированное состояние системы «крепь — массив» напластования и условий контакта по напластованию для принятой технологии строительства.

Определение характера деформирования тоннеля по мере ведения проходческих работ для выявления зависимости смещения контура выработки

Рис. 6. Конечно-элементная модель горного массива: 1 — массив горной породы; 2 — участок горного массива, в котором сооружается тоннель

от величины отставания от забоя было определено в объемной постановке (рис. 6).

Для решения поставленной задачи использовалась упруго-пластическая модель поведения массива (прочность массива оценивалась по критерию Кулона-Мора) и упругая модель поведения крепи. Расчеты для рассматриваемых инженерно-технических условий осуществлялись в плоской постановке.

Прочностные параметры горного массива изменялись с определенным шагом от значений, при которых происходила потеря устойчивости склона (неустойчивое состояние массива), до значений, при которых никаких пластических деформаций в массиве горных пород не происходило (устойчивое состояние массива). Результатом данного расчета является прогноз возможных нарушений массива вокруг выработки, исследование общей устойчивости склона при проведении тоннеля и определение характера и величин контактных напряжений.

Выполненные расчеты напряженно-деформированного состояния системы «крепь — массив» для условий, в которых выполнены натурные исследования,

FLAC

LEGEND

24-Мау-07 в: 54 Step 75004

6.175Е+01 <хч 8 244Е+01 -Л 7376*01 суй -2.600 Е+01

Beam Pto: Axial Force on Structure Ma*. Valus H 1 (Beam ) 7 034E-01 Boundary pFot _ _

I_I_I_t_

5E 0

Т20С

Рис. 7. Осевые усилия в элементах крепи после раскрытия тоннеля на полное сечение и возведения крепи

Рис. 8. Картина распределения пластических деформаций в массиве для условий, при которых склон теряет устойчивость

с учетом фактических деформационно-прочностных свойств массива и этапности раскрытия сечения тоннеля и возведения крепи, показали высокую сходимость качественных и количественных показателей формирования напряженного состояния крепи.

Из расчетов получено, что усилия в крепи (рис. 7), формируемые на всех этапах строительства, меньше полученных значений в натурных условиях на 6—10 %. Растягивающие усилия в крепи формируются только на участке перехода калотты в штроссу с нагорной стороны, противоположной склону после раскрытия на полное сечение и достигают 240 кН (соответственно напряжения равны 1,4 МПа).

Величины осевых усилий в анкерах достигают максимальных значений с нагорной стороны после раскрытия тоннеля на полное сечение и составляют 240 кН.

Смещения контура выработки соответствуют значениям смещений, полученных в натурных условиях, и не превышают 8 мм в своде. В боках тоннеля горизонтальные смещения составили 4,7 мм с нагорной стороны и 1,5 мм со стороны склона.

Зоны неупругих деформаций вокруг тоннеля не образуется, во всех точках массива горная порода ведет себя как упругий материал.

Для прогноза возможных нарушений массива и исследования общей устойчивости склона при проходке тоннеля были смоделированы условия, при которых величина сцепления по контактам напластования составляет всего 0,1 МПа.

В результате расчетов, зоны неупругих деформаций в массиве появляются уже после раскрытия калоттной части тоннеля. Зоны распространения неупругих деформаций весьма значительны и сохраняют свою конфигурацию на всех этапах строительства. Эти зоны «прорезают» весь массив (рис.8), что дает вероятность потери устойчивости склона.

В ближайшее десятилетие на Северном Кавказе предстоит большой объем работ по реконструкции существующих и строительству новых транспортных тоннелей, большинство из которых будет попадать в условия влияния склонов, что потребует обеспечения устойчивости системы «тоннель — массив».

Обеспечение устойчивости выработок и разработка оптимальных конструктивных решений крепей и обделок транспортных тоннелей в первую очередь зависит от правильно принятых методов прогнозирования и последующих расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «крепь — массив».

Как показывают результаты натурных исследований для рассмотренного тоннеля и последующие расчеты, методы прогнозирования устойчивости и напряженного состояния массива и крепей для конкретных инженерно-технических условий могут быть основаны на базе данных натурных исследований в сопоставимых условиях в сочетании с моделированием НДС методом конечных элементов, адаптированного для рассматриваемых условий.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев М.О., Балыкин Б. Б. Горно- Большого Петлевого тоннеля // Метро и экологический мониторинг на примере тоннели. М., 2006, №6, С.24—27. ШИН

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Безродный Константин Петрович — доктор технических наук, заместитель генерального директора по науке НИПИИ «Ленметрогипротранс», е-шаИ: 1шд1 @ mail.wplus.net, Лебедев Михаил Олегович — кандидат технических наук, заведующий лабораторией Геомеханических исследований отдела НИО, е-шаП: 1mgt @ mai1.wp1us.net; 1eb-hima@ramb1er.ru.