Обоснование и разработка метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей

Важнейшими функциональными объектами городской инфраструктуры являются коллекторные тоннели для инженерных коммуникаций различного назначения. Распространенная в Москве практика строительства коллекторных тоннелей свидетельствует о широком применении бестраншейных технологий, среди которых наиболее прогрессивной является технология микро-тоннелирования.

В последние годы технология микротоннелирования значительно расширила область своего применения. Это прокладка трубопроводов малых и больших диаметров большой протяженности и со сложной траекторией без присутствия людей на разных глубинах и в разных породах.

Анализ опыта применения технологии микротоннелирования показывает, что имеют место отказы конструкций для продавливания в стартовых шахтах, разрушения элементов обделки от воздействия монтажных нагрузок. Основная причина таких аварийных ситуаций состоит в том, что величины усилий продавливания назначаются на основе идеализированных схем взаимодействия конструкции обделки с породным массивом. Параметры неизбежных отклонений фактической траектории тоннеля от проектной в расчетах усилий продавливания не отражены. Не учитываются также при проектировании наблюдаемые на практике значительные увеличения усилий продавливания при остановке проходческих комплексов.

В то же время зарубежный и отечественный опыт применения технологии микротоннелирования при продавливании тоннельных обделок свидетельствует о том, что обеспечение безаварийного процесса ведения работ может быть достигнуто прогнозированием усилий продавливания на основе совместного учета параметров геометрии трассы, параметров системы «обделка — раствор — порода» и конструктивных параметров обделки.

Сложившаяся ситуация характеризуется тем, что.

— 5- исследование взаимодействия в системе «обделка — раствор — порода» сопряжено с изучением большого количества влияющих факторов и выбором наиболее информативных показателей, что до настоящего времени остается мало исследованной областью геомеханики;

— до настоящего времени отсутствует инженерный метод расчета усилий продавливания обделок тоннелей, сооружаемых по технологии микро-тоннелирования.

В связи с этим разработка научно обоснованного метода прогнозирования усилий продавливания в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в обосновании и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства коллекторных тоннелей, что позволяет повысить надежность проектирования конструктивных элементов обделки, стартовых шахт и домкрат-ных установок.

Идея работы состоит в использовании эффекта нарушения сцепления на контакте в системе «обделка — раствор — порода», обусловленного силой трения покоя, для обоснования реально наблюдаемых усилий продавливания, учитывающих проектную и технологическую кривизну трассы микро-тоннелирования.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Усилия продавливания на прямолинейных трассах микротоннелиро-вания складываются из забойной и фрикционной составляющих, которые определяются конструктивными параметрами обделки, деформационными характеристиками системы «обделка — раствор — порода» и коэффициентом трения покоя на контактах системы, учет которого объясняет наблюдаемое в натуре увеличение усилий продавливания на 20−25% по сравнению с прогнозируемым усилием, учитывающим коэффициент трения скольжения.

— 62. Усилия продавливания на криволинейных участках трассы в меньшей степени зависят от проектной кривизны и в большей степени от технологической кривизны трассы, учет которой увеличивает прогнозируемые усилия продавливания на 80−95%.

3. Разработанный алгоритм прогнозирования усилий продавливания позволяет обосновать конструктивные параметры обделки — материал, толщину стенки и длину элементов обделки и технологические параметры мик-ротоннелирования — тип проходческого комплекса, консистенцию бентонитового раствора, мощность главной и промежуточных домкратных станций, расстояние между промежуточными домкратными станциями, конструкцию стартового котлована и упорной стенки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

— корректностью применения методов моделирования геомеханических процессов в породном массиве и на контакте элементов обделки и породного массива;

— представительным объемом материалов по применению технологии микротоннелирования, использованных для проверки результатов моделирования;

— удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 10% в пределах доверительных интервалов) прогнозных расчетных оценок с фактически измеренными усилиями продавливания.

Научное значение работы заключается в теоретическом обосновании и количественной оценке геомеханических процессов в породных массивах, формирующих напряженно-деформированное состояние обделки при про-давливании в бестраншейных технологиях.

Практическое значение работы состоит в разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования, отражающего особенности её поведения в породном массиве.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанный метод прогнозирования усилий продавливания обделки тоннелей рекомендован для проектирования в ГУП «Мосинжпроект» и ООО «Институт «Каналстройпро-ект» .

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на научном симпозиуме «Неделя горняка — 2012», обсуждены и одобрены на семинарах в учебно-исследовательском центре «Геомеханика» МГГУ и на научных семинарах кафедр ФГПиП и СПСиШ МГГУ (2010 — 2012гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 62 рисунка, 15 таблиц, список использованной литературы из 76 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Приведены результаты замеров положения трассы тоннеля на экспериментальном участке. Дана исходная таблица измерений раскрытия стыков и усилий продавливания.

2. Проведено сравнение результатов замеров и вычисленных по разработанной методике значений углов разворота и усилий продавливания. Получено удовлетворительное совпадение в пределах доверительного интервала 35 тонн.

3. Предложен алгоритм определения усилий продавливания для реализации его в практике проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода прогнозирования усилий продавливания обделки в бестраншейной технологии строительства, отражающего взаимодействия в системе «обделка — раствор — массив горных пород», что имеет существенное значение для развития теории геомеханических процессов в породных массивах и методов проектирования технологий подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. Сформулированы основные положения методики моделирования усилий продавливания на основе балочной конечно-элементной расчетной схемы, учитывающие взаимодействия в системе «обделка — раствор — порода» .

2. Установлены зависимости для значений внутренних усилий в стыках обделки при различных углах разворота труб, что позволяет рассчитывать их предельные значения на трассах с различными радиусами кривизны.

3. Получены зависимости для забойной и фрикционной составляющих усилий продавливания для прямолинейных участков, отражающие влияние характеристик обделки и параметров системы «обделка — раствор — порода» .

4. Показано, что на расстояниях 60−100 м влияние забойной составляющей на общее усилие продавливания становится незначительным по сравнению с фрикционной составляющей.

5. Показано, что при увеличении длины участка продавливания сначала происходит линейное увеличение усилий с последующим выполаживанием кривой до максимального значения.

— 1096. Показано, что на криволинейных участках с проектной кривизной происходит увеличение усилий продавливания до 6%, а наличие участков с технологической кривизной может приводить к трехкратному увеличению усилий продавливания при малых диаметрах обделки и до 50% при больших диаметрах. 7. Разработан алгоритм расчета усилий продавливания для его реализации при проектировании характеристик обделки, упорной стенки и домкратных установок.