Совершенствование методики учета временной набрызгбетонной крепи в расчетах напряженного состояния конструкций тоннельных обделок

Графики на рисунках 4, б, г, е позволяют увидеть, насколько ослабляется электрическое поле за экраном. На основе амплитудных значений ослабленного и исходного полей можно рассчитать максимальные значения экранного затухания для приведенных примеров, дБ: 69,9, 80,9 и 94,8 соответственно.

В представленной методике экраны аппаратуры исследуются во временной области, что позволяет оценивать воздействие как гармонических, так и импульсных электромагнитных полей. Расчет экранирующих оболочек посредством аналитических выражений дает частотные зависимости, которые требуют дополнительной интерпретации.

Наиболее трудоемкими процессами в данной методике являются описание геометрической формы экрана и задание окружающего пространства, но благодаря этому процесс моделирования максимально приближен к реальности. Визуальное наблюдение распределения электрических и магнитных полей вокруг и внутри экрана позволяет наглядно определять, где не следует размещать наиболее чувствительные элементы устройств.

Список литературы

1. Проводящие оболочки в импульсном электромагнитном поле [Текст] / В. В. Васильев, Л. Л. Коленский и др. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 200 с.

2. Гроднев, И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот [Текст] / И. И. Гроднев. - М.: Связь, 1972. - 112 с.

3. Каден, Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и технике электросвязи [Текст] / Г. Каден; Пер. с нем. В. М. Лаврова. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1975. - 327 с.

4. Каллер, М. Я. Теория линейных электрических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник [Текст] / М. Я. Каллер, Ю. В. Соболев, А. Г. Богданов. - М.: Транспорт, 1987. - 335 с.

5. Лавров, В. И. Теория электромагнитного поля и основы распространения радиоволн [Текст] / В. И. Лавров. - М.: Связь, 1964. - 368 с.

6. Митра, Р. Вычислительные методы в электродинамике [Текст] / Р. Митра; Пер. с англ. под ред. Э. Л. Бурштейна. - М.: Мир, 1977. - 485 с.

7. Finite-difference time-domain implementation of surface impedance boundary conditions [Текст] / J. H. Beggs, R. J. Luebbers and others // IEEE Transactions on Antennas and propagation. - 1992. - Vol. 40. - № 1. - P. 49.

8. Bondeson, A. Computational Electromagnetics [Текст] / A. Bondeson, T. Rylander, P. In-gelstrom. - New York: Springer, 2005. - 244 p.

9. Feliziani, M. A Hybrid Numerical Technique to Predict the Electromagnetic Field in Penetrable Conductive Boxes [Текст] / M. Feliziani, F. Maradei // Electromagnetics. - 2002. - Vol. 22. - Р. 405.

10. Taflove, A. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Second Edition [Текст] / A. Taflove, S. C. Hagness. - Boston: Artech House, 2000. - 866 p.

УДК 624.19.035.2

А. Л. Ланис, Ю. А. Цибариус

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ УЧЕТА ВРЕМЕННОЙ НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПИ В РАСЧЕТАХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК

Одним из наиболее распространенных видов временной крепи при строительстве транспортных тоннелей является набрызгбетонная крепь. В настоящее время учет набрызгбетонной крепи в расчетах конструкций постоянных обделок затруднителен в связи с отсутствием универсальной методики проектирования, что

78 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014

= _

влечет за собой увеличение материалоемкости конструкций и трудоемкости производимых работ. Данные о степени и характере влияния основных механических характеристик скальных грунтов и геометрических размеров сооружения на значение коэффициента учета податливой временной набрызгбетонной крепи, полученные в результате проведенных исследований, послужили основой для дальнейшей разработки универсальной методики проектирования.

В ходе теоретических исследований установлены эмпирические зависимости распределения напряжений между временной набрызгбетонной крепью и постоянной монолитной железобетонной обделкой. Результаты экспериментальных исследований напряженного состояния временной набрызгбетонной крепи и постоянной обделки, проведенных в натурных условиях, подтвердили возможность применения полученных в ходе теоретических исследований эмпирических зависимостей при расчете конструкций постоянных обделок тоннелей с учетом временной набрызгбетонной крепи. Использование предложенных зависимостей при проектировании конструкций обделок позволит значительно снизить материало- и трудоемкость строительства транспортных тоннелей.

Совершенствование транспортной системы и повышение эффективности ее функционирования являются необходимыми условиями развития экономики России. Для решения транспортных проблем в Российской Федерации необходимо дальнейшее развитие транспортной инфраструктуры, предусматривающее увеличение объема строительства таких важных объектов, как транспортные тоннели. Одними из основных целей Постановления Правительства Российской Федерации от 05.12.2001 г. № 848 (редакция от 02.11.2013 г.) «О Федеральной целевой программе «Развитие транспортной системы России (2010 - 2020 годы)» являются эффективное использование финансовых средств и широкое внедрение в производственную практику новейших достижений научно-технического прогресса во всех сферах транспортного строительства, в том числе и в тоннелестроении. Эффективность процесса строительства транспортных тоннелей достигается путем повышения качества работ, увеличения скоростей проходки при оптимизации материало- и трудоемкости как основных, так и вспомогательных операций на всех этапах производственного цикла.

Одним из наиболее важных и технически сложных процессов при строительстве транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом, является возведение временной крепи и постоянной обделки, требующее значительных материальных и трудовых затрат.

В последнее время в практике отечественного тоннелестроения отмечается существенный рост объемов применения набрызгбетона в качестве временной крепи, что позволяет получить значительный экономический эффект и обеспечить полную механизацию строительно-монтажных работ [1, 2]. Однако эффективность применения конструкций обделок тоннелей, сооружаемых горным способом, в значительной мере снижается из-за отсутствия универсальной методики учета при проектировании предварительно сооруженной временной набрызгбетонной крепи, воспринимающей значительную часть основных видов статических нагрузок, воздействующих на тоннель, что не позволяет оптимизировать материальные и трудовые затраты производимых строительно-монтажных работ.

Таким образом, разработка и внедрение в производственный процесс методики учета временной набрызгбетонной крепи в расчетах напряженного состояния конструкций тоннельных обделок позволит оптимизировать материальные и трудовые затраты при строительстве тоннелей, сооружаемых горным способом.

При проведении теоретических исследований необходимо было установить степень и характер влияния на напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом наличия временной набрызгбетонной крепи

- основных физико-механических характеристик грунта;

- жесткости временной набрызгбетонной крепи;

- размеров поперечного сечения тоннельной выработки.

Состав теоретических исследований представлен на рисунке 1.

Исследование напряженного состояния постоянной обделки тоннеля выполнено в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel» (Нидерланды). В ходе теоретических исследований оценивалось напряженное состояние обделки в трех контрольных сече-

ниях (рисунок 2). Выбор контрольных сечений обусловлен закономерностями распределения изгибающих моментов в конструкциях постоянных обделок подковообразного очертания. Подробное описание методики и промежуточных результатов выполненных теоретических исследований представлено в работах [3 - 5].

По результатам серии расчетов с использованием методов математической статистики установлены следующие соотношения, отражающие закономерности распределения напряжений в конструкциях тоннельных обделок с учетом временной набрызгбетон-ной крепи:

= 0,2544Ь0'9064

^нб

X 1п Е + 0,3695Ь

0,301.

7нб(полУсвод) = 0,0"Ь

0,5588

;1п Е + 0,6183Ь

-0,148 .

^нб

= 0,2229Ь

0,7827

:1п Е + 0,4988Ь

0,22

где Е0 - модуль деформации грунтового массива, ГПа;

И - толщина временной набрызгбе-тонной крепи, м.

Формулы (1) - (3) могут применяться для определения коэффициента унб с целью учета влияния временной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля, вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве.

В процессе проведения экспериментальных исследований на опытных участках необходимо было провести натурные наблюдения за изменением напряженного состояния временной набрызгбетонной крепи и постоянной железобетонной обделки; определить фактические физико-механические и деформационно-прочностные свойства горных пород; выполнить расчет напряженного состояния постоянных обделок; с использованием методов математической статистики выполнить анализ значений нормальных тангенциальных напряжений, фактически действующих в сечениях постоянной обделки, в сравнении с расчетными значениями, определенными по существующей методике проектирования, и значе-

Рисунок 1 - Состав теоретических исследований

80 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014

= _

ниями, полученными по предложенным зависимостям учета временной набрызгбетонной крепи, с оценкой правомерности применения последних. Экспериментальные исследования выполнены на трех транспортных тоннелях. Напряженное состояние определялось методами тензометрии: при сооружение временной крепи и монолитной железобетонной обделки тоннеля в них устанавливались струнные деформометры (рисунок 3). Сечения, оснащенные деформометрами, располагались в различных инженерно-геологических условиях на 19 контрольных участках. По результатам исследований получены данные о развитии во времени нормальных тангенциальных напряжений в конструкции [6]. Для определения фактических физико-механических и деформационно-прочностных свойств горных пород проводились сейсморазведочные работы.

Рисунок 3 - Схема расположения датчиков в сечениях: постоянной обделки опытных участков № 7 - 13

Л

Определение расчетных напряжений в сечениях постоянных обделок опытных участков № 1, 7 - 13, 19 осуществлялось путем выполнения серий численных экспериментов на пространственных конечно-элементных моделях по методике, использованной при проведении теоретических исследований, описанных в работах [3 - 5]. В результате расчетов получены значения нормальных тангенциальных напряжений в сечениях постоянной обделки без учета влияния временной набрызгбетонной крепи. По данным исследования построены диаграммы, на которых показаны значения напряжений, фактически действующих в точках сечений постоянной обделки, в сравнении с расчетными данными и значениями, полученными по предложенным зависимостям учета временной набрызгбетонной крепи (рисунок 4).

На рисунке 5 представлены фактические значения коэффициента учета временной набрызг-бетонной крепи в зависимости от модуля деформации грунтового массива в сравнении со значениями, полученными по предложенным эмпирическим зависимостям.

Статистический анализ данных по критерию Фишера (F = 2,32 < F^ = 2,69) позволяет сделать вывод об адекватности полученной модели регрессии, что свидетельствует о принципиальной

6000 кПа 4000 3000

2000  1000 -

о

.L LL . iL

шл 1 пп m

min IM

- напряжение безучета крепи;

— напряжение

го предложенным зависимостям;

— фактическое напряжение

vv V 7

i r

Л-ЛГ M

s.' 4,"

Рисунок 4 - Сравнение нормальных тангенциальных напряжений, действующих в сечениях постоянной обделки тоннеля на опытных участках

№ 1, 7 - 13, 19

возможности применения эмпирических зависимостей, полученных в ходе теоретических исследований, при расчете конструкций постоянных обделок тоннелей с учетом временной набрызгбетонной крепи.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния системы «крепь -массив» позволили усовершенствовать существующую методику проектирования конструкций тоннельных обделок с учетом временной набрызгбетонной крепи.

Область применения методики - тоннели глубокого заложения с монолитной железобетонной обделкой, сооружение которых осуществляется горным способом в скальных грунтах, для которых справедлива гипотеза профессора М. М. Прото-дьяконова.

Рисунок 5 - Фактические значения коэффициента учета временной набрызгбетонной крепи в зависимости от модуля деформации грунтового массива в сравнении со значениями, полученными по эмпирическим зависимостям

В процессе исследования разработана программа КОЕЕЫБ, позволяющая получать значения коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи для конкретных грунтовых условий и конструкций временной крепи. Изменение ожидаемого экономического эффекта от применения усовершенствованной методики проектирования в зависимости от модуля деформации грунтового массива для различных значений толщин временной набрызгбетон-ной крепи представлено на рисунке 6. Стоит отметить, что экономический эффект снижается в связи с тем, что при учете в составе постоянной конструкции временной набрызгбетонной крепи необходимо обеспечить однородность бетона последней, что может быть достигнуто добавлением фиброволокон и, следовательно, влечет за собой повышение стоимости строительства (участок № 2 на рисунке 6). Для каждого из графиков выделено три участка в зависимости от ожидаемого экономического эффекта:

- участок № 1 - положительный, изменяемый в пределах от 4 до 8 млн р. на 1 км;

- участок № 2 - требуется детальное рассмотрение;

- участок № 3 - отрицательный.

о .................................

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29ГПаЗЗ Ео- -

в

Рисунок 6 - Экономический эффект от применения предложенной методики (на 1 км тоннеля) при толщине временной набрызгбетонной крепи 0,1 (а), 0,2 (б), и 0,3 (в) м

Основные научные и практические результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований заключаются в следующем.

1 . Впервые получены эмпирические зависимости, которые могут быть использованы для определения коэффициента унб, с целью учета влияния временной набрызгбетонной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля, вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве.

2. Статистический анализ экспериментальных данных по критерию Фишера позволяет сделать вывод об адекватности полученной модели регрессии, что свидетельствует о принципиальной возможности применения эмпирических зависимостей, полученных в ходе исследований, при расчете конструкций постоянных обделок тоннелей с учетом временной набрызгбетонной крепи.

Управление перевозочными процессами и безопасность движения поездов

3. Разработана программа KOEF NB, позволяющая получать значения коэффициентов учета временной набрызгбетонной крепи для конкретных грунтовых условий и конструкций временной крепи.

4. Усовершенствована методика проектирования, повышающая качество проектных решений для строительства транспортных тоннелей, учитывающая в составе постоянной конструкции временную набрызгбетонную крепь. Внедрение усовершенствованной методики в практику проектирования позволит значительно снизить материало- и трудоемкость строительства. Экономический эффект от применения предложенной методики должен составить до 8 млн р. на 1 км тоннеля.

Список литературы

1. Набрызгбетон для тоннелей [Текст] / В. С. Арутюнов, И. В. Гиренко и др. // Транспортное строительство / Всероссийский науч.-исследоват. ин-т. - М., 1986. - № 4. - С. 24 - 26.

2. Жуков, В. Н. Современные технологии набрызгбетонных работ в подземном строительстве [Текст] / В. Н. Жуков, Ш. Р. Магдиев // Метро и тоннели. - 2003. - № 4. - С. 20 - 23.

3. Цибариус, Ю. А. Учет временной набрызгбетонной крепи при определении напряженного состояния постоянной обделки тоннеля [Текст] / Ю. А. Цибариус // Вестник СибАДИ / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. - Омск, 2013. - №4 (32). - С. 76 - 81.

4. Цибариус, Ю. А. Исследование влияния податливой временной набрызгбетонной крепи на напряженное состояния постоянной обделки тоннеля [Текст] / Ю. А. Цибариус // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2013. - № 3. - С. 125 - 133.

5. Цибариус, Ю. А. Напряженное состояние постоянной обделки тоннеля с учетом податливой временной набрызгбетонной крепи [Текст] / Ю. А. Цибариус // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: Материалы междунар. науч.-практ. конф. / Пермский национальный исследоват. политехн. ун-т. - Пермь, 2013. - Т. 3. - С. 440 - 448.

6. Цибариус, Ю. А. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей распределения напряжений в конструкциях тоннельных обделок с учетом временной набрызгбетонной крепи [Текст] / Ю. А. Цибариус // Интернет-журнал «Науковедение» / Ин-т гос. управления, права и инновационных технологий. - М. - 2014. - № 1 (20). - С. 1 - 12.

УДК 656.073.7

Р. Р. Ахмедов

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ГРУЗООБОРОТА ПОРТОВ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

В статье рассматриваются особенности транспортной сети портов Балтийского моря, проблемы ее оптимизации с целью увеличения грузооборота и отражения вызовов, связанных с модернизацией транспортного комплекса России.

Порты Балтийского бассейна являются не только важнейшими экономическими объектами национальной экономики, они лидируют в суммарном грузообороте среди российских портов. По прогнозам они сохранят лидерство по этому показателю и в перспективе, вплоть до 2030 г. Кроме того, отличительной особенностью портов Балтийского моря является их близость к наиболее развитым промышленным районам России, а также к странам Европы. Данные преференции позволяют им обрабатывать постоянно растущие потоки грузов различного наименования, превращая порты в уникальные транспортные узлы. В условиях мо-