Ю. С. ФРОЛОВ, д. т. н., профессор;
Шэнь ЦЯОФЭН, аспирант
(кафедра «Тоннели и метрополитены» ПГУПС Императора Александра I)
(ОКОНЧАНИЕ. НАЧАЛО В No22)
УСКОРЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РОСТ КИТАЯ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ ОБУСЛОВИЛ ВЫСОКИЕ ТЕМПЫ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ. МЕТРОПОЛИТЕНЫ ДЕЙСТВУЮТ И ПРОДОЛЖАЮТ СТРОИТЬСЯ В 41 ГОРОДЕ. В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ, АКТУАЛЬНЫХ ДЛЯ КИТАЙСКОГО МЕТРОСТРОЕНИЯ, ЯВЛЯЕТСЯ ТЕМОЙ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОВОДИМЫХ НА КАФЕДРЕ «ТОННЕЛИ И МЕТРОПОЛИТЕНЫ» ПГУПС ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I.
ПРОГНОЗ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАСКРЫТИИ ВЫРАБОТКИ МЕТОДОМ БОКОВЫХ ПИЛОТ-ТОННЕЛЕЙ
В большинстве вновь строящихся линий метрополитена в таких городах Китая, как Цунцин, Далянь, Циндао, Шэньчжэн, Чанчунь, строительство станционных комплексов осуществляется закрытым способом в малопрочных скальных и полускальных грунтах на глубине, соизмеримой с пролетом станции.
Задача второго этапа численного моделирования заключалась в разработке методики прогноза геомеханических процессов при поэтапном раскрытии выработки методом боковых пилот-тоннелей в конкретных условиях строительства односводчатой станции.
Исходные данные о физико-механических свойствах грунтового массива позволяют рассматривать его как упругопластическую среду, прочность которой задается критерием прочности Кулона–Мора.
Набрызг-бетонная крепь со стальными арками моделируется элементами оболочки. Приведенные модули упругости крепи по периметру проектного очертания выработки и по внутреннему контуру опережающих выработок равны соответственно Еꞌ пр = 23000 МПа и Еꞌꞌ пр = 2300 МПа. Железобетонные и фиберглассовые анкеры моделируются анкерными элементами. Прочность закрепления анкеров определена в соответствии с рекомендациями, изложенными в ВСН 126-90. «Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов». М. :Минтрансстрой СССР, 1991, и принята в расчетах для железобетонных анкеров 176 кН, для фибергласовых — 138 кН на 1 м длины анкера.
В разработанных конечно-элементных моделях выделялись основные расчетные этапы, соответствующие технологическим этапам проходческих работ при сооружении станции.
С учетом специфики метода основное внимание уделено анализу устойчивости грунтового массива, заключенного между внутренними диафрагмами (ядро сечения). С этой целью рассматривались два возможных варианта производства работ после проходки и крепления боковых пилот-тоннелей: разработка грунта в ядре сечения с частичным разрушением внутренних диафрагм (рис. 7а) и разработка грунта в ядре сечения с разрушением диафрагм только после окончания и замыкания обратного свода (рис. 7б).
В процессе выполнения численного эксперимента фиксировались осадки поверхности земли, характер напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вмещающего выработку, и грунта в центральной части выработки, смещения характерных точек как на контурной временной крепи (первичной обделке), так и на внутренних железобетонных диафрагмах, а также по величине усилий в анкерах.
Анализ вертикальных смещений шелыги свода и кровли выработки позволяет заключить, что принятая система крепления и порядок разработки пилот-тоннелей практически исключают смещение грунтового массива до окончания проходки боковых тоннелей (рис.8, этапы 1–6.).
При дальнейшей разработке грунта с одновременным разрушением внутренних диафрагм осадки земной поверхности нарастают постепенно и к завершению проходческих работ достигают 22 мм. В случае, если разработка ведется с сохранением железобетонных диафрагм в ядре сечения, осадки поверхности земли после раскрытия калотты стабилизируются при величине 7 мм (этап 7) и сохраняются до завершения проходческих работ. Однако после разрушения внутренних диафрагм осадки резко возрастают, но остаются в тех же пределах, которые были зафиксированы при выполнении работ по первому варианту.
По результатам численного анализа выявлен характер формирования и определены значения главных напряжений σ 3 и σ 1 в грунтовом массиве вблизи выработки, в ядре сечения с частичным разрушением внутренних диафрагм и при разработке грунта в ядре сечения с разрушением диафрагм только после окончания и замыкания обратного свода (рис. 9).
Характер напряженно-деформированного состояния крепи / первичной обделки существенно не изменяется при стадийной технологии раскрытия выработки по любой из рассмотренных технологических схем. Уровень максимальных и минимальных напряжений после раскрытия выработки на полное сечение обеспечивает со значительным запасом несущую способность конструкции в данных условиях строительства (рис. 10).
На различных этапах расчета, отражающих специфику проходческих операций, зафиксированы знакопеременные усилия в системе анкерной крепи не только на каждом из этапов раскрытия выработки, но и при разных вариантах выполнения проходческих операций (см. рис. 9). После разработки калотты с одновременным разрушением крепи пилот-тоннелей анкеры в своде работают на растяжение, достигая максимума после раскрытия выработки на полное сечение. Исключение составляют анкеры, испытывающие сжатие, расположенные на участке сопряжения стен с обратным сводом.
Вариант разработки грунта в ядре сечения с разрушением диафрагм вносит существенные коррективы в работу анкеров. Характер распределения и величина усилий в анкерах на участке примыкания внутренних диафрагм после разработки калотты (этап 7) резко изменяются. Диафрагмы, сохраненные до полного раскрытия сечения, сдерживают смещения грунта в ядре сечения и снижают вдвое максимальные усилия в анкерах.
Характер изменения напряженно-деформированного состояния внутренних диафрагм в процессе раскрытия выработки до проектного очертания представлен значениями смещений (табл. 2) и главных напряжений (табл. 3) в характерных точках этих элементов.
На рис. 11 показана картина формирования зоны пластических деформаций в грунтовом массиве. До разработки центральной части сечения в узлах сопряжения крепи пилот-тоннелей с элементами обратных сводов пластические деформации распространяются на глубину до 3 м. После раскрытия калотты область пластических деформаций смыкается в кровле выработки распространяясь на глубину 4 м, и эта граница остается постоянной до полного раскрытия выработки как по первому, так и по второму варианту.
Существенное влияние на напряженно-деформированное состояние как грунтового массива, так и элементов крепи отмечается после разработки и крепления калотты (этап 7). Возникшая локальная область пластических деформаций вблизи пят свода заметно увеличивается в глубь массива на каждом этапе работ и достигает 5–7 м. Следует также отметить, что после частичного разрушения диафрагм в верхней части грунтового ядра возникают области предельного равновесия, вследствие смещения диафрагм в сторону боковых тоннелей.
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВОГО МАССИВА НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «КРЕПЬ – ГРУНТОВЫЙ МАССИВ».
В основу исследований положена методика построения математических моделей с использованием вероятно-статистического метода системного анализа.
За входные параметры грунта приняты модуль деформации, коэффициент Пуассона, сцепление и угол внутреннего трения. Базовые значения входных параметров соответствовали грунтам IV и V классов. Интервал изменения их значений в расчетах показан в табл. 4.
В качестве выходных параметров были приняты напряжения, возникающие в крепи, и осадки земной поверхности, вызванные раскрытием выработки (учитывая их негативное влияние в городских условиях). Значения выходных параметров были получены путем преобразования входных параметров. Число преобразований, необходимых для составления достоверной вероятно-статистической модели, определилось методом планирования экспериментов.
Статистическая модель построена в виде степенного полинома методами нелинейной регрессии. Количество уравнений, описывающих модель, соответствовало числу выходных параметров задачи. Сведения о напряженно-деформированном состоянии системы «крепь — грунтовый массив» при различных вариантах входных параметров были получены в результате статистических расчетов, выполненных с использованием конечно-элементного программного комплекса Midas. Результаты представлены графиками, приведенными на рис. 12.
Для того чтобы провести сравнительный анализ степени влияния различных параметров, характеризующих прочностные и деформационные свойства грунтового массива на напряженно-деформированное состояние элементов рассматриваемой системы, принятые ее входные и выходные параметры представлены в безразмерных величинах. Эти действия выполнялись с использованием выражения (1) (Zhang Guang, Zhu Weishen. Parameter Sensitivity Analysis and Optimizing for Test Programs [J]. Rock and Soil Mechanics, 1993, 14(1): 51-58):
S i – степень влияния фактора x i , i =1, 2, 3, ..., n; |DP/P| и |Dx i /x i |— отношения отклонений выходного и входного параметров к их базовому значению.
При малых значениях |Dx i /x i | формула (1) может быть
аппроксимирована как:
Согласно формуле (2), выявлена степень влияния каждого из входных параметров задачи x i на величину искомых выходных параметров Р.
Если небольшое изменение входного параметра x i может вызвать значительное изменение выходного параметра Р, это означает, что x i является «высокочувствительным» параметром системной характеристики P, и наоборот, если изменение x i несущественно влияет на изменение P, то x i является «низкочувствительным» параметром. Иными словами, результаты расчета отражают «чувствительность» процесса силового взаимодействия элементов рассматриваемой системы при изменении прочностных идеформационных свойств грунтового массива. В частности, в малопрочных скальных и полускальных грунтах (IV и V классов) при заданных размерах выработки и принятых параметрах первичной обделки / временной крепи установлено: наибольшую степень влияния на величину максимальных напряжений в крепи(S = 0,6) и осадки земной поверхности (S = 0,9) на всем интервале расчетных параметров грунта оказывает модуль деформации грунтового массива (рис. 13а); увеличение коэффициента Пуассона не оказывает существенного влияния на выходные параметры, находясь в пределах величин 0,04 < S < 0,2 в полускальных грунтах и 0,2 < S < 0,3 в малопрочных скальных; изменение угла внутреннего трения практически не влияет на характер напряженно-деформированного состояния рассматриваемой системы.
Влияние величины сцепления на выходные параметры системы носит нелинейный характер и степень этого влияния на каждый из выходных параметров различна (рис. 13б). Так, в малопрочных полускальных грунтах при величине сцепления в пределах 0,08 МПа влияние на осадку поверхности возрастает, достигая максимального значения при 0,2 МПа (S = 0,48). Далее в интервале 0,2<<0,4 МПа зафиксировано заметное снижение «чувствительности» осадок земной поверхности к изменению сдвиговых характеристик грунта (0,5 < S < 0,03). Дальнейшее увеличение сцепления до граничного его значения не оказывает влияния на осадки земной поверхности. В полускальных грунтах (IV класс) максимальные растягивающие напряжения в крепи более чувствительны к изменению величины сцепления, чем напряжения сжатия. В интервале величин 0,08 < С < 0,2 МПа степень влияния сцепления на растягивающие напряжения возрастает, достигая значения (0,3< S < 0,4). Напряжения в крепи выработки, заложенной в более прочных грунтах менее, чувствительны к изменению величины сцепления, а при 0,6 < С < 1,1 МПа напряжения в крепи не изменяются с увеличением этого параметра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проектирование и строительство односводчатых станций метрополитена горным способом в малопрочных скальных грунтах — технически и технологически сложная задача. Обеспечение устойчивости большепролетных выработок и разработка оптимальных конструктивно-технологических решений при стадийной технологии выполнении проходческих работ в первую очередь зависит от правильно принятых методов прогнозирования и последующих расчетов напряженно-деформированного состояния системы «крепь — грунтовый массив».
По совокупности результатов численного моделирования на каждом этапе выполнения проходческих работ определены осадки поверхности земли, характер напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вмещающего выработку и грунтового целика, заключенного между боковыми пилот-тоннелями. Дана оценка напряженно-деформированного состояния всех элементов комбинированной временной крепи / первичной обделки.
Численная реализация математических моделей в процессе проведенного анализа позволила установить ряд закономерностей, характеризующих напряженно-деформированное состояние исследуемой системы «крепь — грунтовый массив», имеющих как теоретическое, так и прикладное значение.
Предложенная методика прогнозирования устойчивости большепролетных выработок при стадийной технологии выполнения проходческих работ позволит обоснованно принимать конструктивно-технологические решения, обеспечивающие высокие технологии проходческих работ и минимизацию конструктивных и технологических рисков.
