WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Геомеханическая модель верхнего забоя представляет собой участок горного массива размером 50х50х40 м с глухим отверстием сводчатого очертания, подкреплённого незамкнутой крепью (рис. 1а). Крепь смоделирована таким образом, что она является составной частью массива, но с другими деформационными свойствами, за счёт чего обеспечивается совместность перемещений породного массива и крепи.

Для исследования напряжённо-деформированного состояния принята линейная модель деформирования вмещающих пород и крепи. Граничные условия задавались следующим образом: боковым граням запрещались перемещения по оси Х, нижней и верхней грани – по оси Y, торцевым граням – по оси Z.

Выявлены закономерности распределения горизонтальных напряжений в призабойной зоне калоттной части тоннеля (рис.2). Из анализа распределения напряжений вдоль выработки в шелыге, основании калотты и полусводе следует, что для всех направлений они имеют сходный характер изменения вблизи плоскости забоя и за ним.

На расстоянии 0,55Rпр (Rпр – приведённый радиус выработки) от плоскости забоя напряжения для пород средней устойчивости достигают значений г = 1,39 МПа, а затем меняются незначительно, достигая местного минимума г = 1,28 МПа на расстоянии 0,14Rпр от плоскости забоя, далее интенсивно возрастают и в плоскости забоя достигают максимума, составляя г = 2,58 МПа соответственно.

Рис. 2. Распределение горизонтальных напряжения в массиве пород в призабойной зоне.

За плоскостью забоя напряжения падают и достигают местного минимума на расстоянии 0,4Rпр от плоскости забоя, равного г = 1,54 МПа. Пройдя отметку 0,7Rпр, напряжения начинают снижаться и стремиться к значению в нетронутом массиве. Зона влияния выработки составляет 3,4Rпр

Выявлены закономерности распределения напряжений при разработке нижнего уступа (рис. 1б).

Анализ характера распределения тангенциальных напряжений в стенке временной крепи показал, что наличие забоя приводит к увеличению их концентрации. Для пород средней устойчивости в стенке временной крепи штроссовой части позади забоя возникает дополнительная концентрация тангенциальных напряжений по сравнению с их величиной в соответствующих частях крепи калотты.

В забое нижнего уступа в пяте свода временной крепи возникают растягивающие продольные напряжения, параллельные оси тоннеля, величина которых для слабоустойчивых пород составляет 8 МПа, а для пород средней устойчивости – 2 МПа.

В ходе анализа зависимости распределения напряжений во временной крепи и забое выработки были выявлены характер распределения и численные значения тангенциальных напряжений во временной крепи и вертикальных и горизонтальных напряжений в массиве горных пород забоя выработки. Установлено, что отставание временной крепи от забоя существенно влияет на распределение напряжений как в самой крепи, так и на незакреплённом контуре выработки.

Выявлены закономерности распределения перемещений в забое при разработке калоттной части тоннеля. По результатам моделирования был построен график зависимости смещения шелыги свода от расстояния вдоль оси тоннеля (рис. 3).

Из графика видно, что смещения с удалением от забоя выработки быстро убывают и стремятся к U = 13 мм, а на удалении 2 м от забоя – U2м = 9,5 мм.

Из графика видно, что 70% смещений породного контура реализуется на расстоянии всего лишь 2 м от лба забоя. Из анализа их распределения можно сделать вывод, что смещения проектного контура начинают проявляться ещё в глубине массива пород перед лбом забоя и в его плоскости реализуются на 30%.

Рис. 3. Смещение шелыги незакреплённого свода вдоль оси тоннеля

2. При прогнозе напряжённого состояния временной крепи нужно учитывать его формирование на всех этапах проходческого цикла: от раскрытия забоя калотты 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.

С целью оценки прочности и несущей способности временной и постоянной крепи выполнен геомеханический прогноз массива с помощью численного моделирования с учетом последовательности проходки тоннеля, ползучести горных пород, старения бетона и влияния забоя.

При моделировании массив горных пород заменялся плоскостью размерами 60х60м, в которой в центре вырезано отверстие и подкреплённое двумя кольцами некругового поперечного очертания. Одно кольцо незамкнутое, моделирует временную крепь, другое – замкнутое, моделирует постоянную обделку. В качестве внешней нагрузки принято геостатическое давление от веса пород и сейсмическая нагрузка. Вмещающие тоннели породы обладают линейной ползучестью, которая описывается интегральным уравнением при ядре ползучести Абеля.

Рис. 4. Основные этапы строительства транспортного тоннеля, принятые для моделирования.

Нагрузка на крепь находится из условия совместности перемещений на контакте «крепь-порода». Учет влияния забоя на формирование нагрузок производится по методу, предложенному А.Г. Протосеней, на основе использования смещений выработки (рис.3).

Моделирование геомеханических процессов производится на основе учета основных этапов строительства тоннеля (рис.4).

При реализации модели для учета ползучести пород и старения бетона было выполнено 13 расчетных схем.

По результатам моделирования были построены зависимости тангенциальных и радиальных напряжений, возникающих во временной крепи и постоянной обделке.

На рис.5 приведены закономерности изменения тангенциальных напряжений на контуре временной крепи во времени при различных этапах проходки и крепления.

Рис. 5. Распределение тангенциальных напряжений на внутреннем контуре временной крепи во времени:

1 – на момент установки крепи верхнего уступа; 2 – через 10 суток; 3 – через 75 суток; 4 – при разработке породы нижнего уступа; 5 – на момент установки крепи нижнего уступа; 6 – через 100 суток; 7 – через 150 суток

Анализ тангенциальных напряжений (для случая учёта отставания временной крепи от забоя) на момент вступления в работу временной крепи верхнего уступа показывает, что напряжения сжимающие и лежат почти на протяжении всего контура в пределах 1 МПа. Только ближе к пяте свода, где крепь опирается на породу, напряжения возрастают до 1,2 МПа.

Спустя 10 суток после разработки породы верхнего уступа напряжения за счёт реологических свойств увеличиваются и изменяются почти на всём протяжении контура от 1,5 МПа до 2,3 МПа. После 75 суток напряжения в крепи пропорционально увеличиваются и находятся в пределах от 2,6 МПа до 4,1 МПа. После разработки породы нижнего уступа напряжения во временной крепи верхнего уступа перераспределяются и на этом этапе строительства тоннеля возможно появление растянутых зон.

При установке временной крепи нижнего уступа в крепи верхнего уступа также происходит перераспределение напряжений за счёт того, что часть нагрузки забирают на себя стенки временной крепи нижнего уступа. В своде картина распределения напряжений качественно меняется незначительно, но количественные изменения присутствуют. Так, максимальное значение сжимающих напряжений в своде арки составляет 6,0 МПа.

Спустя 100 суток напряжения во временной крепи возрастают, но характер распределения тангенциальных напряжений остался прежним. Максимальные сжимающие напряжения наблюдаются в полусводе тоннеля и составляют 6,76,8 МПа. Затем они уменьшаются, и на уровне 1 м от основания тоннеля составляют 1,5 МПа в пяте свода.

Через 150 суток характер напряжения также не меняется, но количественно напряжения изменяются. Так, максимальные сжимающие напряжения в своде тоннеля составляют 7,4 МПа. Далее сжимающие напряжения уменьшаются и достигают минимума в пяте свода 0,88 МПа. В стенке напряжения сначала несколько возрастают до 1,7 МПа, затем убывают до 1,28 МПа.

В работе выполнено моделирование формирования напряженно-деформированного состояния временной крепи и постоянной обделки тоннеля в породах слабой устойчивости, закрепленного набрызгбетонной крепью с арматурными арками.

Анализ результатов расчёта тангенциальных напряжений без учёта отставания временной крепи от забоя показывает, что по сравнению с предыдущим случаем, величина их существенно возрастает. Максимальные сжимающие тангенциальные напряжения в крепи достигают 12 МПа. На 150-е сутки после начала разработки породы верхнего уступа наблюдаются растягивающие напряжения в стенке временной крепи в штроссовой части тоннеля, которые составляют 2 МПа. После возведения постоянной обделки временная крепь является составной частью постоянной обделки и в ней происходит выравнивание напряжений.

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.

Для оценки достоверности результатов, полученных при теоретических исследованиях, проведено сопоставление расчетных величин тангенциальных напряжений в крепи с натурными данными.

Натурные эксперименты по определению напряженно-деформированного состояния временной и постоянной крепи выполнены на строящихся железнодорожных тоннелях Северного Кавказа.

Изменение напряжений проводились с помощью струнных датчиков линейных деформаций ПЛДС-400, которые представляют собой струну длиной 400 мм, закрепленную между двумя опорными шайбами внутри двух телескопически соединенных металлических тонкостенных труб внешним диаметром около 50 мм. Измеряемым параметром является период колебания струны в микросекундах.

Экспериментальные исследования выполнялись в тоннелях, сооружаемых в массивах различной категории устойчивости.

Анализ экспериментальных данных по измерению напряжений во временной набрызгбетонной крепи тоннелей, сооружаемых в породах средней устойчивости Большого Новороссийского тоннеля, показывает, что величины тангенциальных напряжений, которые не превышают 4 МПа. Средние их величины на различных участках изменяются от 1 МПа до 2 МПа.

Средние величины тангенциальных напряжений во временной крепи в породах слабой устойчивости находятся в интервале 1214 МПа. В тектонических зонах отмечены преобладающие смещения боков крепи тоннеля на уровне верхнего и нижнего уступа. Сопоставление расчетных величин тангенциальных напряжений в крепи с натурными данными для пород различной степени устойчивости показывает их согласие.

На основе плоской модели разработан метод расчета нагрузок на обделку железнодорожного тоннеля большого поперечного сечения, сооружаемого уступным способом. Метод основан на схеме взаимодействия системы «крепь-порода» и включает основные этапы раскрытия поперечного сечения тоннеля и возведения временной и постоянной крепи. В методе учитывается влияние геомеханических процессов в призабойной зоне, деформационных и реологических параметров пород и категория устойчивости пород.

В ходе анализа результатов расчёта были выявлены закономерности распределения нагрузки на постоянную обделку тоннеля (рис. 6). Через 6 месяцев после установки обделки максимальная нагрузка составила 400 кПа в полусводе тоннеля вблизи пяты свода. Нагрузка на стенку обделки не превышает 50 кПа. Максимальное значение нагрузки на временную крепь составило 900 кПа через 150 суток после начала проходки калотты.

С помощью предложенного метода выполнены расчеты нагрузок на крепь и обоснованы безопасные и рациональные параметры временной крепи и постоянной обделки. В работе предлагается для участков трассы тоннеля, сооружаемых в породах средней устойчивости, снизить толщину постоянной обделки на 50%. Для участков тоннеля в породах слабой устойчивости предлагается расчетную толщину постоянной обделки определять с учетом того, что временная крепь является несущим элементом и снизить толщину постоянной обделки на 35%.

Рис. 6. Распределение нагрузок на временную крепь и постоянную обделку:

1 – на момент установки крепи верхнего уступа; 2 – через 10 суток; 3 – через 75 суток; 4 – при разработке породы нижнего уступа; 5 – на момент установки крепи нижнего уступа; 6 – через 100 суток; 7 – через 150 суток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной для подземного строительства задачи геомеханического обоснования метода расчёта нагрузок на железнодорожные тоннели в горно-геологических условиях Северного Кавказа, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Определены прочностные и деформационные характеристики пород, вмещающих тоннели, в условиях одноосного и объемного напряженного состояния, включая запредельную область, при естественной влажности и при водонасыщении. Экспериментально установлен эффект снижения влияния влажности на прочность песчаников в объёмном напряжённом состоянии по сравнению с одноосным, величина которого для трехосного сжатия составляет 25% и 70% для одноосного.

2. Разработана пространственная модель прогноза напряжённо-деформированного состояния массива при сооружении железнодорожного тоннеля большого поперечного сечения при уступном способе строительства, отличающаяся учётом наличия уступа и оценкой влияния основных этапов по проходке и возведению крепи на геомеханические поля в окружающем массиве и конструкциях обделки.

3. Установлены закономерности формирования напряжений в призабойной зоне при раскрытии калотты тоннеля. Горизонтальные напряжения в шелыге и основании свода достигают максимума на контуре забоя, снижаясь в сторону выработки и достигая минимума на расстоянии 0,12Rпр от него (Rпр – приведённый радиус выработки). За плоскостью забоя напряжения падают и достигают локального минимума на расстоянии 0,37Rпр. Вертикальные напряжения имеют аналогичные закономерности их изменения в призабойной зоне. Размер зоны влияния выработки впереди забоя составляет 3,7Rпр.

4. Установлено, что раскрытие нижнего уступа при сооружении тоннеля приводит к увеличению тангенциальных напряжений во временной крепи, величина которых зависит от степени устойчивости пород. 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 бока обделки, находящиеся выше нижнего уступа.

Pages:     | 1 || 3 |






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