ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРЕДЕЛЬНОГО УДЕРЖИВАЮЩЕГО ДАВЛЕНИЯ НА НЕУСТОЙЧИВЫЙ ЗАБОЙ ВЫРАБОТКИ

АННОТАЦИЯ

Настоящая статья посвящена проблеме определения устойчивости забоя при проходке тоннеля. В смысловом плане её можно разделить на три части. В первой части раскрывается актуальность исследуемой темы, в ней также приводятся ссылки на нормативную литературу и ученых, изучавших эту проблему. Вторая часть содержит в себе сравнение двух способов вычисления предельного давления, оказываемого на забой, аналитического и численного. В третьей части подводятся основные выводы.

Ключевые слова: предельное удерживающее давление: забой тоннеля; тоннель; ТПМК с активным пригрузом забоя; численный способ; Optum G3; свод обрушения; численный опыт.

Возведение транспортных тоннелей и метрополитенов всегда сопряжено с трудностями. Сложные инженерно-геологические условия, близость поверхности земли, прилегающие здания и сооружения и многие другие факторы, оказывают значительное воздействие на будущий тоннель. Соответственно, они должны учитываться при проектировании.

Главная цель проектирования – достижение безопасности как во время проведения работ, так и в процессе эксплуатации сооружения. Безопасность эксплуатации тоннеля обеспечивается, главным образом, при помощи постоянной несущей конструкции – обделки. Очевидно, что при проходке тоннеля её мгновенное возведение невозможно. Проблему безопасности во время ведения строительно-монтажных работ можно решить двумя способами, во-первых, применить усиливающие мероприятия (например, цементация грунтов), во-вторых, использовать щитовой способ проходки.

Стоит учитывать, что в процессе строительства тоннеля требуется ограничивать не только радиальные перемещения (в случае выработки круглого очертания) массива грунта, но и продольные перемещения, связанные с устойчивостью грунта, вереди забоя горизонтальной выработки. Перемещения грунта по контуру тоннеля можно избежать посредством устройства временной крепи. Вопрос об устойчивости грунта, а также о проектировании временной крепи находит отражение в следующей нормативной литературе [1-2].

Однако ни в одном из рассмотренных документов [1-2] нет упоминания об определении устойчивости забоя горизонтальных выработок при строительстве подземных сооружений. Это осложняет процесс проектирования проходки тоннеля.

Для поддержания устойчивости забоя в практике тоннелестроения могут применяться такие усиливающие мероприятия, как армирование ядра выработки впереди забоя (рисунок 1), устройство экрана из труб (рисунок 2) и др.

Рисунок 1. Армирование ядра впереди забоя

Рисунок 2. Схема экрана из труб

Использование тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) с активным пригрузом забоя (рисунок 3) позволяет решить сразу несколько проблем. Во-первых, давление в камере активного пригруза уравновешивает давление грунта, а также гидростатическое давление со стороны забоя, что обеспечивает устойчивость забоя. Во-вторых, оболочка щита выполняет функцию временной крепи, препятствуя обрушению грунтовой массы в рабочую зону. В-третьих, такой комплекс позволяет уменьшить возникающие осадки дневной поверхности.

Рисунок 3. Пример камеры активного пригруза забоя тоннелепроходческого механизированного комплекса

Следует отметить, что на сегодняшний день нет обобщенной методики по расчету устойчивости забоя впереди выработки, которая нашла бы своё отражение в нормативной литературе. Информация об устойчивости забоя может потребоваться, для назначения усиливающих мероприятий впереди забоя (локально или по всей трассе тоннеля), а также при выборе способа проходки. Например, если на всем протяжении длины тоннеля его забой не обладает достаточной устойчивостью, то проектное решение устремиться к выбору щитового способа проходки с активным пригрузом забоя.

Оценка устойчивости забоя осуществляется путем вычисления значения предельного удерживающего давления. Рассмотрим два способа вычисления предельного давления: аналитический и численный.

Первый метод в своих работах использовали как отечественные [3], так и зарубежные ученые [4]. Конечной целью этого метода является вывод формулы, позволяющей быстро и достаточно точно оценить значение предельного давления.

Второй метод подразумевает использование специализированных программных комплексов. К таким относится Optum G3 (рисунок 4). Программный комплекс позволяет провести численный расчет, в котором создается модель с заданными грунтовыми условиями и геометрическими характеристиками. Для проведения эксперимента по определению значения предельного удерживающего давления необходимо приложить к плоскости лба забоя равномерно распределенное давление интенсивностью 1 кПа в направлении от забоя.

Рисунок 4. Интерфейс и возможности Optum G3

Optum G3 позволяет получить значение предельного давления как при оценки снизу, так и при оценки сверху. Таким образом в комплексе можно получить границы, в пределах которых может находиться истинное значение предельного давления. Если провести ряд таких опытов и составить базу данных, в которую входят результаты расчета и исходные данные, то можно судить о зависимости значения предельного давления от характеристик грунтового массива, геометрических размеров и положения горизонтальной выработки.

Очевидно, что при увеличении глубины заложения в какой-то момент значение предельного удерживающего давления начнет уменьшаться, что будет свидетельствовать о формировании свода естественного равновесия. Также очевидно, что при большем угле внутреннего трения и удельном сцеплении грунта забой выработки будет более устойчив.

В этой работе представлен первоначальный переход от численного метода расчета к аналитическому путем обработки некоторого ряда экспериментов. Возникает вопрос о целесообразности данной процедуры, поскольку уже существуют формулы, позволяющие вычислить искомое значение предельного давления [3].

Однако, как было отмечено ранее, на сегодняшний день отсутствует общепринятая методика расчета предельного давления. Это подводит нас к необходимости сравнения значений предельного давления, полученных в ПК Optum G3 и вычисленных по формулам [3]. Результаты вычисления для наглядности представлены в виде столбчатой диаграммы (рисунок 5)

Рисунок 5. Сравнение значений предельных давлений по формулам зарубежных авторов и по Optum G3

Согласно диаграммы, теоретические и экспериментальные значения сильно разняться, причем, значения предельного давления, вычисленные по формулам зарубежных ученых в несколько раз, превышают значения, полученные в Optum G3, что на практике будет означать значительное перепроектирование. Причинами этого могут быть:

1. Во-первых, учет авторами дополнительных параметров, которых нет в ПК. Формулы зачастую используют специфические характеристики грунта, например сцепление недренированного грунта c_u вместо удельного сцепления с;
2. Во-вторых, формулы могут не учитывать некоторые важные параметры. Например, в формуле Atkinson & Potts не учитывается глубина заложения H, а также удельное сцепление грунта c, что, очевидно, сказывается на полученном значении предельного давления;
3. В-третьих, модели, по которым были получены, формулы могли использоваться только для конкретных условий. Таким образом, может потребоваться более детальное изучение работы того или иного автора.

Разница в полученных значениях подтверждает целесообразность составления массива экспериментальных данных и в последствии вывод формулы предельного давления. Для обработки экспериментов потребуется выбор системы линейных алгебраических уравнений. Однако на данном этапе исследования все еще продолжается составление массива данных. Диапазоны проверяемых значений представлены ниже (рисунок 6).

Рисунок 6. Схематическое изображение диапазонов массива экспериментальных данных

При оценке уже полученных значений и исходных данных было установлено, что оценка сверху более зависима от плотности разбиения. Желтый цвет на рисунке 6 говорит о том, что полученные значения для данной глубины заложения вызывают сомнения, поскольку наблюдается «проскок» значений. Иными словами, при достижении некоторой глубины значение предельного давления уменьшается, а при дальнейшем заглублении увеличивается, что не соответствует действительности. Необходима более детальная проверка.

Таким образом, проблема устойчивости забоя в тоннелестроении на сегодняшний день является вполне актуальной, существующие формулы не позволяют получить достоверную информацию об устойчивости выработки, в этом случае можно использовать эмпирические или численные методы оценки, либо их комбинацию. Использование программного комплекса с целью получения конечной формулы путем обработки ряда экспериментов позволит в относительно небольшие сроки осуществить оценку ряда грунтовых характеристик. Результатом данного этапа исследования стало обнаружение свода над призмой обрушения (рисунок 7). Было замечено, что сводообразование начинается при глубине заложения от двух диаметров тоннеля.

Рисунок 7. Сводобразование над призмой обрушения в ПК Optum G3

Список литературы:

1. ВСН 49-86/Минэнерго СССР. Проектирование временной крепи гидротехнических туннелей. – М.: Гидропроект Минэнерго СССР, 1986. – 74 с. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://docs.cntd.ru/document/1200063991 (дата обращения 01.12.2020)
2. СП 91.13330.2012 Подземные горные выработки. Актуализированная редакция СНиП II-94-80 (с Опечаткой) [электронный ресурс] — Режим доступа. — http://docs.cntd.ru/document/1200095532 (дата обращения 01.12.2020)
3. Протосеня А. Г., Карасев М.А. Механика подземных сооружений. Учебное пособие. – СПб.: Горный университет, 2013 – 113 с.
4. Broere W. Tunnel Face Stability and New CPT Applications. – Netherlands: Delft University Press, 2001. – 208 p.