WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ЛАРИОНОВ Роман Игоревич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ метода определения нагрузок на обделку железнодорожных тоннелей в горно-геологических условиях северного кавказа

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ- Петербург

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Анатолий Григорьевич Протосеня

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Олег Владимирович Ковалёв,

кандидат технических наук

Александр Николаевич Коньков

Ведущее предприятие ОАО «НИПИИ Ленметрогипротранс»

Защита диссертации состоится 17 июня 2009 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06. в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (техничес-кого университета).

Автореферат разослан 15 мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. Богуславский

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В связи с олимпиадой в 2014 году по решению Правительства РФ на Северном Кавказе проводится интенсивное строительство транспортных коммуникаций. Предполагается построить несколько автодорожных и железнодорожных тоннелей, которые свяжут Черноморское побережье с остальной частью России.

При проектировании тоннелей большого поперечного сечения нагрузки на обделку определяются по методу заданных нагрузок (метод Метрогипротранса, метод С.С. Давыдова), который имеет ограниченное применение в горно-геологических условиях Северного Кавказа.

Проблема определения нагрузок на обделку тоннелей сечения решалась К.П. Безродным, Б.А. Картозией, Н.С. Булычёвым, А.А. Козыревым, В.А. Грабером, В.Е. Меркиным, Н.И. Кулагиным, А.Г. Протосеней, Н.Н. Фотиевой, Ю.С. Фроловым, Д.М. Голицынским, С.Н. Власовым, Ю.Н. Огородниковым, О.В. Тимофеевым, М.О. Лебедевым и многими другими.

Однако до настоящего времени не разработана методика определения нагрузок на обделку, которая учитывает особенности поэтапного раскрытия забоя тоннелей большого поперечного сечения. Поэтому тему диссертационной работы, направленную на разработку методики, основанной на взаимодействии обделки с породой и учёте пространственного характера распределения напряжений и перемещений породного массива, следует признать актуальной.

Цель диссертационной работы. Обеспечить устойчивость железнодорожных тоннелей большого поперечного сечения в горно-геологических условиях Северного Кавказа.

Идея работы. Нагрузки на обделку тоннелей большого поперечного сечения должны определяться с учётом влияния последовательности раскрытия поперечного сечения тоннеля, физико-механических свойств горных пород и геометрических параметров временной и постоянной крепи.

Основные задачи исследования:

    • Определение прочностных и деформационных характеристик горных пород вмещающего массива;
    • Натурные наблюдения за напряжённо-деформированным состоянием обделки тоннеля;
    • Математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния системы «крепь-массив» вокруг тоннелей;
    • Разработка метода определения нагрузок на обделку тоннелей;
    • Разработка рекомендаций по конструкции временной крепи и постоянной обделки железнодорожных тоннелей.

Методы исследований.

Лабораторные испытания образцов горных пород с целью определения прочностных и деформационных свойств горных пород; анализ напряжённо-деформированного состояния системы «крепь-массив» методом конечных элементов; натурные наблюдения за изменением напряжённо-деформированного состояния обделки тоннеля и вмещающего породного массива.

Научная новизна работы:

        • Экспериментально установлен эффект снижения влияния влажности на прочность песчаников в объемном напряженном состоянии по сравнению с одноосным, величина которого для трехосного сжатия составляет 25% и 70% для одноосного.
        • Установлены закономерности формирования напряжений в призабойной зоне при разработке нижнего уступа тоннеля. В пяте свода временной крепи в призабойной зоне вследствие смещений пород в выработку возникают растягивающие напряжения, параллельные её оси, величина которых с уменьшением категории устойчивости пород существенно возрастает. В стенке временной крепи в штроссовой части позади забоя возникает дополнительная концентрация тангенциальных напряжений по сравнению с их величинами в соответствующих частях крепи калотты впереди забоя.

Защищаемые научные положения:

  1. Пространственная модель прогноза напряжённо-деформированного состояния массива в призабойной зоне при сооружении железнодорожного тоннеля большого поперечного сечения должна учитывать схему его раскрытия и влияние основных этапов технологических процессов по проходке и возведению крепи на геомеханические поля в окружающем массиве и конструкциях крепи.
  2. При прогнозе напряжённого состояния временной крепи нужно учитывать его формирование на всех этапах проходческого цикла: от раскрытия забоя каллотты до возведения крепи на полное сечение. Преобладающие перемещения контура железнодорожного тоннеля большого поперечного сечения в нарушенных массивах происходят со стороны боков на стыке верхнего и нижнего уступов, вследствие чего наиболее напряжёнными участками временной крепи при сооружении тоннеля являются элементы стен обделки, находящиеся выше нижнего уступа.
  3. Определение нагрузок на обделку железнодорожного тоннеля большого поперечного сечения при уступном способе строительства нужно производить с учётом очерёдности раскрытия сечения выработки, категории устойчивости пород, взаимодействия с породным массивом, совместной работы временной и постоянной крепи и геомеханических процессов в призабойной зоне.

Практическая значимость работы:

    • разработана методика определения нагрузок на обделку железнодорожных тоннелей в горно-геологических условиях Северного Кавказа с учётом основных этапов технологии проходки;
    • даны рекомендации по типам и параметрам временной крепи и постоянной обделки для железнодорожных тоннелей Северного Кавказа.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: обеспечивается натурными исследованиями работы обделки железнодорожных тоннелей, использованием современных методов геомеханики, численного моделирования, сходимостью величин расчетных нагрузок с натурными данными и результатами исследований других авторов.

Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2005, 2007); международной конференции “Проблемы подземного строительства в XXI веке” (Тульский государственный университет, Тула, 2008); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2006-2008 (СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова, Санкт-Петербург); заседаниях кафедры Строительство горных предприятий и подземных сооружений СПГГИ (ТУ) и получили одобрение.

Личный вклад автора заключается:

  • в проведении испытаний горных пород на прессовом оборудовании в условиях одноосного и объемного сжатия;
  • в разработке геомеханической модели взаимодействия обделки железнодорожных тоннелей с породным массивом;
  • в проведение численного моделирования процессов деформирования массива вокруг железнодорожных тоннелей;
  • в разработке метода определения нагрузок и обосновании параметров обделки железнодорожных тоннелей.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы в сборниках научных трудов, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 144 наименований, 52 рисунков, 12 таблиц и 1 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 диссертационной работы отражены горно-геологические и инженерно-геологические условия по трассам строительства железнодорожных тоннелей. Выполнен анализ методов расчёта нагрузок на обделки и напряженно-деформированного состояния массива при строительстве тоннелей. Сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 изложена в кратком виде методика и выполнен анализ результатов определения прочностных и деформационных характеристик основных типов пород, взятых из забоя строящегося тоннеля. Испытания образцов горных пород выполнены при естественной влажности и при насыщении их водой.

В главе 3 выполнено обоснование и постановка пространственной задачи по прогнозу напряженно-деформированного состояния массива и обделки при уступном способе проходки тоннеля. Приведены результаты и выполнен их анализ по выявлению закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива и временной крепи при сооружении передовой выработки в калоттной части тоннеля и последующей выемке нижнего уступа в штроссовой части. Выполнена оценка сдерживающего влияния забоя, прочностных, деформационных и реологических свойств пород и крепи на геомеханические поля вокруг тоннелей и конструкций обделки.

В главе 4 приведено обсуждение натурных измерений напряженного состояния временной и постоянной крепи и выполнено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований. Выполнено обоснование метода расчета нагрузок на временную крепь и постоянную обделку тоннелей, сооружаемых уступным способом. Разработаны рекомендации по выбору безопасных типов и параметров временной и постоянной крепи для различных по устойчивости горно-геологических условий строительства тоннелей.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Пространственная модель прогноза напряжённо-деформированного состояния массива в призабойной зоне при сооружении железнодорожного тоннеля большого поперечного сечения должна учитывать схему его раскрытия и влияние основных этапов технологических процессов по проходке и возведению крепи на геомеханические поля в окружающем массиве и конструкциях.

Транспортные тоннели расположены в породах осадочного типа, из которых можно выделить аргиллиты, песчаники, мергели от пониженной прочности до малопрочных, выветрелые и сильнотрещиноватые до раздробленных. В тектонических зонах породы в разной степени изменены, сильнотрещиноватые и раздробленные, преимущественно малопрочные.

Породы по устойчивости можно разделить на следующие типы:

- средней устойчивости, трещиноватые, средней прочности;

- породы слабоустойчивые, сильнотрещиноватые, малопрочные;

- неустойчивые породы в зонах тектонических нарушений.

Для определения прочностных и деформационных свойств вмещающих тоннели осадочных пород были выполнены испытания на прессовом оборудовании в условиях одноосного и объемного напряженного состояния, включая запредельную область. Испытания проводились при естественной влажности и при водонасыщении образцов.

Анализируя полученные результаты, можно сказать, что водонасыщение сказывается на пределе прочности горных пород. Так, например, при отсутствии бокового давления (3 = 0 МПа) пределы прочности пород в сухом и водонасыщенном состоянии различаются в 3-4 раза, что должно учитываться при проектировании временных крепей горных выработок. По мере увеличения бокового давления разница пределов прочности сухих и водонасыщенных образцов уменьшается. Так, при боковом давлении 3 = 10 МПа эта разница составляет 1,3-1,5 раза.

Анализ зависимостей продольных и поперечных деформаций от нагрузки показал, что эта зависимость линейная вплоть до предела прочности горной породы. Эта характеристика учитывается при численном моделировании породного массива, в ходе которого определяются деформации породного контура.

Также по результатам испытаний были составлены паспорта прочности пород в сухом и водонасыщенном состоянии. По паспорту прочности были установлены сцепления и углы внутреннего трения.

Строительство железнодорожных тоннелей большого поперечного сечения проводится уступным способом. Вначале проходится на величину заходки верхний уступ в калоттной части тоннеля механизированным или буровзрывным способом. В качестве временной крепи используется набрызгбетон. Разработка штроссовой части тоннеля производится с отставанием от забоя калотты на 200-300 м. Постоянная крепь устанавливается после проходки тоннеля на полное сечение во временной крепи.

Для выявления закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива и крепи при уступном способе проходки тоннеля разработана пространственная модель прогноза геомеханических процессов при проходке и креплении верхнего и нижнего уступов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»