WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

НОВОЖЕНИН СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД

ПРИ СООРУЖЕНИИ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

МЕТРОПОЛИТЕНА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ

МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Волохов Евгений Михайлович

Официальные оппоненты:

Ашихмин Сергей Геннадьевич доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», кафедра «Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы», профессор Долгих Михаил Владимирович кандидат технических наук, ЗАО «Семнадцатое управление «Метрострой», главный маркшейдер

Ведущая организация – ОАО Научно-исследовательский проектно-изыскательский институт «Ленметрогипротранс»

Защита диссертации состоится 19 июня 2014 г. в 14 час. мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 3416а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 18 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ КОРНИЛОВ

диссертационного совета ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время размещение объектов транспортной сети мегаполисов исключительно на земной поверхности не представляется возможным. Освоение подземного пространства, в свою очередь, невозможно без решения проблемы охраны зданий и сооружений от вредного влияния горных работ.





В последние годы в практику подземного строительства в Москве и Санкт-Петербурге впервые в мире внедрена новая технология проходки эскалаторных тоннелей механизированными комплексами с пригрузом забоя (ТПМК), позволяющая существенно сократить оседания на поверхности. Однако, как показали натурные наблюдения, даже в таких условиях на земной поверхности образуются деформации, опасные для зданий и сооружений, причем их уровень существенно варьируется от тоннеля к тоннелю. Так, деформации кривизны достигают 0.8 - 1.4·10-3 1/м, что в несколько раз превышает значения, традиционно использующиеся для определения границ зоны опасного влияния горных работ.

Существующие в настоящее время методики прогнозного расчета сдвижений и деформаций при строительстве тоннелей, как правило, касаются горизонтальных выработок. Немногочисленные работы, посвященные оценке сдвижений при строительстве эскалаторных тоннелей, сооружаемых в неустойчивых четвертичных породах, в основном связаны с технологией искусственного замораживания грунтов и характеризуются низкой достоверностью. Кроме того, для условий Санкт-Петербурга, где вопросы охраны зданий в историческом центре особенно актуальны, до сих пор отсутствует нормативный документ, регламентирующий вопросы оценки вредного влияния проходки эскалаторных тоннелей на окружающие сооружения.

Значительный вклад в изучение вопросов оценки сдвижений горных пород при ведении подземных горных работ внесли работы С.Г.Авершина, А.Г.Акимова, М.А.Иофиса, Д.А.Казаковского, Г.Кратча, С.П.Колбенкова, Р.А.Муллера, В.Н.Гусева и др. Среди работ, посвященных исследованиям этих вопросов в области тоннелестроения, необходимо отметить работы Ю.А.Лиманова, В.Ф.Подакова, С.Н.Сильвестрова, М.В.Долгих, Е.М.Волохова, В.П.Хуцкого. В области математического моделирования сдвижений и деформаций горных пород при проходке горных выработок следует отметить работы Б.З.Амусина, О.Зенкевича, М.Г.Мустафина, Д.В.Панфилова, А.Б.Фадеева, В.В.Чеботаева и др.

Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению геомеханических процессов, задача разработки прогнозных методов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов на сегодняшний день не решена, и поэтому является актуальной.

Цель работы: повышение эффективности мероприятий по защите зданий и сооружений от вредного влияния горных работ при строительстве эскалаторных тоннелей на основе разработки нового метода прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности.

Идея работы заключается в комплексном использовании натурных данных и математического моделирования геомеханических процессов для выявления закономерностей и обоснования методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород.

Задачи исследований:

- анализ условий сооружения эскалаторных тоннелей станций метрополитена на использование ТПМК с пригрузом забоя;





- изучение существующих методов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве тоннелей;

- сбор, анализ и обобщение данных натурных исследований процесса сдвижений и деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием ТПМК;

- постановка и проведение математического моделирования геомеханических процессов на основе численных методов для выявления основных закономерностей развития сдвижений на качественном уровне;

- совместная комплексная обработка данных натурных исследований и математического моделирования для верификации моделей и построения количественных зависимостей;

- разработка инженерной методики расчета ожидаемых сдвижений земной поверхности при строительстве новых эскалаторных тоннелей;

- обоснование эффективных способов деформационного мониторинга горных пород, зданий и сооружений при сооружении эскалаторных тоннелей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Размер зоны влияния сооружения эскалаторного тоннеля определяется геометрическими характеристиками горногеологических условий и слабо зависит от физико-механических свойств пород, слагающих массив. Границы мульды сдвижения могут быть установлены на основе граничных углов как функций мощности четвертичных отложений.

2. Достоверный прогноз сдвижений земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей механизированными комплексами обеспечивается применением метода типовых кривых. Мульда сдвижения в главном поперечном сечении может быть описана показательно-степенной функцией.

3. В грунтовом массиве можно выделить приповерхностную зону, где вертикальные деформации растяжения практически отсутствуют. Эффективным способом снижения оседаний над тоннелем является применение методов грунтозакрепления в зоне проходки ниже указанной приповерхностной толщи.

Научная новизна работы:

1. Выявлены закономерности возникновения и развития сдвижений и деформаций в массиве горных пород при сооружении эскалаторных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.

2. Определены закономерности распределения сдвижений и деформаций в пределах мульды сдвижения на земной поверхности и предложены типовые аналитические функции, описывающие сдвижения в главных сечениях мульды.

3. Выявлена и описана зависимость оседаний земной поверхности от сдвижений пород вблизи контура выработки, позволяющая рассчитывать максимальное оседание в мульдах.

4. Предложены граничные критерии при определении зоны влияния горных работ на поверхности, определены граничные углы и выявлены закономерности их изменения в разных горногеологических условиях.

5. Теоретически обоснованы новые варианты снижения оседаний поверхности, основанные на использовании технологий грунтозакрепления.

Методы исследований:

- теоретические методы механики сплошных сред;

- математическое моделирование геомеханических процессов от проходки эскалаторных тоннелей механизированным способом на основе метода конечных элементов (МКЭ);

- методы математической статистики для обработки и обобщения результатов численного моделирования (методы наименьших квадратов, тренд-анализа).

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается большим объемом построенных и обработанных моделей (более 200 моделей) с широкой вариацией исходных параметров и внутренней сходимостью результатов моделирования, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и предлагаемой прогнозной методики с данными натурных наблюдений при строительстве эскалаторных тоннелей метрополитена для горно-геологических условий строительства эскалаторных тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена.

Практическое значение работы 1. Полученные в работе граничные критерии и углы влияния (граничные углы) позволяют просто и достоверно определять зону влияния горных работ на поверхности, как на стадии проектирования в прогнозной оценке вредного влияния на здания и сооружения, так и в процессе строительства эскалаторных тоннелей при оценке возможного ущерба от подработки.

2. Предлагаемая прогнозная методика, основанная на использовании типовых кривых, позволяет обоснованно получать величины сдвижений и деформаций на земной поверхности, производить количественную оценку влияния строительства эскалаторных тоннелей на здания и сооружения и обосновывать меры их защиты.

3. Разработанные рекомендации по организации мониторинга деформаций породного массива и земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей позволят повысить безопасность эксплуатации зданий и сооружений при их подработке эскалаторными тоннелями.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования»

(г. Санкт-Петербург, СПГГУ, апрель 2011 г.), международной научно-практической конференции «Современные проблемы геомеханики, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г. СанктПетербург, СПГГУ, октябрь 2011 г.), на всероссийской научнопрактической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (г. Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», октябрь 2012 г.), на ХХI форуме «Неделя горняка-2013» (г. Москва, МГГУ, январь 2013 г.), на ХV Международном маркшейдерском конгрессе (г. Аахен, Германия, сентябрь 2013 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного университета (2011-2014 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке задач, создании и обработке данных численных моделей, по которым производилось исследование геомеханических процессов при механизированной проходке эскалаторных тоннелей; обработке и анализе данных натурных наблюдений за процессом сдвижения при строительстве эскалаторных тоннелей; обосновании функциональных зависимостей параметров мульды от горно-геологических условий проходки эскалаторных тоннелей; разработке методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей.

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 6 публикациях, из них 4 в журналах, включённых в перечень ведущих научных изданий ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 115 наименований. В работе 68 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены проблемы оценки сдвижений и деформаций горных пород и вредного влияния горных работ при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов. Изложены и проанализированы существующие методы прогнозной оценки сдвижений и деформаций.

Во второй главе описаны и проанализированы методы натурных исследований процесса сдвижения. Приведены данные, характеризующие процесс сдвижения на поверхности и в породном массиве для построенных тоннелей. Произведен анализ данных натурных наблюдений, получены аналитические зависимости для оценки сдвижений в рамках метода типовых кривых. Представлено обоснование новых способов мониторинга процесса сдвижения при строительстве эскалаторных тоннелей.

Третья глава посвящена моделированию геомеханических процессов при проходке эскалаторных тоннелей. Дано обоснование и рассмотрены принципы применения метода конечных элементов для оценки сдвижений горных пород. Приведены результаты моделирования и выявлены закономерности развития сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности.

В четвертой главе рассмотрена количественная оценка показателей процессов сдвижений и деформаций. На основе данных натурных исследований и моделирования дано комплексное обоснование применения метода типовых кривых. Получены зависимости для описания геомеханических процессов в породном массиве и на поверхности. Обоснована прогнозная методика расчета сдвижений и деформаций на земной поверхности для горно-геологических условий проходки эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Размер зоны влияния сооружения эскалаторного тоннеля определяется геометрическими характеристиками горногеологических условий и слабо зависит от физико-механических свойств пород, слагающих массив. Границы мульды сдвижения могут быть установлены на основе граничных углов как функций мощности четвертичных отложений.

Применение современных технологий при проходке эскалаторных тоннелей не позволяет исключить сдвижение земной поверхности. Для обеспечения безопасности подземного строительства в условиях плотной городской застройки необходимо рассматривать влияние подземных работ на здания и сооружения на земной поверхности. Ключевым моментом в оценке влияния является определение размеров зоны сдвижения.

Сооружение эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроходческого механизированного комплекса с пригрузом забоя приводит к изменению напряженно-деформированного состояния массива, которое характеризуется образованием зоны оседаний поверхности – мульды сдвижений. Сложность указанных процессов в породном массиве, обусловленная наличием большого количества неоднородных по свойствам слоев четвертичных отложений и коренных протерозойских пород, пересекаемых наклонной выработкой большого сечения, не позволяет обойтись упрощенной расчетной схемой и приводит к необходимости рассмотрения влияния основных геомеханических факторов.

Основные факторы, определяемые горно-геологическими условиями проходки эскалаторных тоннелей, можно условно разделить на геометрические, т.е. характеризующие размеры и взаимное положение элементов, слагающих систему «тоннель-породный массив», и механические - определяющие физико-механические свойства элементов этой системы. В исследовании в основном было рассмотрено влияние факторов этих групп на размер зоны влияния тоннелепроходческих работ.

Несмотря на значительный объем имеющихся данных натурных наблюдений, они не позволяют производить анализ закономерностей процесса сдвижения в полном объеме. Наблюдательные станции характеризуются разреженностью реперов (2-3 репера в пределах полумульды). Продолжительность наблюдений не всегда определялась показателями реальной стабилизации деформационных процессов. Указанные особенности натурных наблюдений создают предпосылки для использования математического моделирования геомеханических процессов, позволяющего обеспечить рассмотрение закономерностей развития деформационных процессов при проходке эскалаторных тоннелей. В качестве базового метода моделирования проходки в работе обосновано применение метода конечных элементов.

МКЭ хорошо зарекомендовал себя как метод численного моделирования напряженно-деформированного состояния сплошных и неоднородных сред в моделях со сложной геометрией. В исследованиях в основном использовался метод конечных элементов в объемной постановке, реализованный в программном комплексе «Plaxis 3D».

Для изучения влияния указанных факторов на размер мульды сдвижения были построены модели, обеспечивающие анализ различной конвергенции пород по контуру выработки и разных показателей стадийности проходки тоннеля; позволяющие проанализировать вариацию физико-механических свойств пород. Всего было построено более 80 моделей. В качестве основных моделей сред, моделирующих породы, приняты модели Кулона-Мора и модели упрочняющегося грунта (HS). Построенные модели позволили изучить работу системы «тоннель - породный массив» в широком спектре исследуемых характеристик.

В качестве основного геометрического фактора, влияющего на размер зоны сдвижения на поверхности, признана мощность четвертичных отложений в зоне строительства. В работе показано, что оценку границ зоны влияния можно производить без учета всех литологических разностей, зафиксированных при инженерногеологических изысканиях, усредняя характеристики всей четвертичной толщи, так как в краевых частях зоны градиенты напряжений и деформаций невелики, соответственно неоднородность свойств по толще практически не проявляется.

Для анализа указанного фактора в моделях, имитирующих проходку эскалаторных тоннелей, изменялась величина мощности четвертичных отложений с фиксированным шагом (рисунок 1) для разных вариантов свойств массива, соответствующих исследуемым объектам в Санкт-Петербурге.

Рисунок 1 Примеры упрощенных расчетных моделей эскалаторных тоннелей для исследования влияния мощности четвертичных отложений Важным элементом в анализе размеров зон влияния (мульд сдвижения) является обоснованный выбор граничных критериев. На построенных моделях проходки эскалаторных тоннелей, верифицированных с использованием данных натурных наблюдений, хорошие результаты показало использование в качестве таких критериев горизонтальных деформаций и наклонов с граничным значением на уровне гр=iгр=0.20.3·10-3. Данные критерии, традиционно использующиеся в маркшейдерской практике оценки зон влияния, позволяли и здесь, на моделях, обеспечить устойчивую фиксацию границ зон влияния. Исходя из специфики применяемых натурных измерений в работе в качестве базового граничного критерия для расчетных моделей принято значение деформаций наклонов: iгр=0.2·10-3, которое позволяет достоверно фиксировать границы зон влияния.

В результате проведения серии расчетов была определена зависимость между мощностью четвертичных отложений и границами зоны сдвижения в главном поперечном сечении мульды оседаний, представленная на рисунке 2 уже для граничного угла (угла влияния).

Рисунок 2 Зависимость граничных углов от мощности четвертичных отложений Отклонение графика, иллюстрирующего размеры мульды эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал», от других кривых объясняется несоблюдением некоторых технологических режимов проходки, приведшим к развитию зоны значительных оседаний. При этом видно, что вид зависимости по тоннелю станции «Обводный канал» мало отличается от других. Построение расчетных моделей производилось с учетом полученных ранее данных натурных наблюдений.

В пределах первого рассматриваемого участка (мощность четвертичных отложений от 20 до 40 м), характерного для геологических условий Санкт-Петербурга, наблюдается схожий характер зависимости для граничного угла. С увеличением мощности четвертичных отложений значение граничного угла уменьшается (то есть возрастает размер зоны влияния проходки тоннеля). Рассматриваемая зависимость может быть описана линейной функцией вида:

=a·H+b, где – значение граничного угла, H – мощность четвертичных отложений, a, b – коэффициенты (для проанализированных условий проходки a=-0.57; b=54.37). При большей мощности четвертичной толщи (от 40 до 60 м) значение ординаты для каждого графика практически неизменно, то есть вариация граничных углов в пределах указанного интервала незначительна.

Из анализа влияния механических факторов на развитие сдвижений и деформаций установлено, что значение коэффициента Пуассона незначительно влияет на размер зоны сдвижения. Влияние прочностных характеристик пород (сцепления, угла внутреннего трения) проявляется только вблизи контура выработки, на удалении на расстояние свыше радиуса тоннеля влияние этих свойств практически не проявлялось.

Установлено, что значение модуля деформации оказывает наибольшее влияние на величину максимального оседания (как в линейных, так и в упругопластических моделях). Учитывая недостаточную достоверность определения модуля деформации как основного фактора данной группы, было решено рассмотреть зависимость размера зоны сдвижений от величины модуля деформации породного массива. Для изучения зависимости также применялось конечноэлементное моделирование на основе упрощенных объемных моделей. Для проверки указанного эффекта было построено более 30 моделей проходки эскалаторных тоннелей в различных вариантах деформационных характеристик четвертичной толщи.

Как видно из графиков (рисунок 3), даже при широкой вариации модуля деформации слагающих массив пород (в пределах ±50% от среднего значения для толщи, соответствующего данным физикомеханических испытаний), кривые практически горизонтальны.

Аналогичные зависимости были получены для всех остальных станций. Это позволило сделать вывод о незначительном влиянии модуля деформации четвертичных отложений на размер зоны сдвижения от проходки эскалаторного тоннеля.

На основании комплекса проведенных исследований можно сделать вывод о том, что граница зоны сдвижения зависит главным образом от мощности четвертичных отложений и может быть достоверно установлена с помощью граничных углов (углов влияния), построенных от контура тоннеля. Значения граничных углов относительно стабильны и варьируются для разных станций в пределах от 38,5° до 43,5°. Эти углы позволяют зафиксировать размеры мульд (или длины полумульд в главных сечениях - L).

Рисунок 3 Зависимость размеров мульды при проходке эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская» от значения модуля деформации 2. Достоверный прогноз сдвижений земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей механизированными комплексами обеспечивается применением метода типовых кривых.

Мульда сдвижения в главном поперечном сечении может быть описана показательно-степенной функцией.

Строительство эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроходческого механизированного комплекса с пригрузом забоя характеризуется возникновением и постепенным развитием мульды сдвижения на земной поверхности (рисунок 4).

Верт. сдвижение, мм Рисунок 4 Развитие мульды сдвижения в главном поперечном сечении (эскалаторный тоннель ст.м. «Спасская») Проведенные исследования характера распределения оседаний в мульде от проходки эскалаторных тоннелей по данным натурных маркшейдерских наблюдений, выполненных ЗАО «Фирма ГИРО», позволили обосновать применение метода типовых кривых для описания мульд сдвижения. Метод типовых кривых хорошо зарекомендовал себя в традиционной практике прогнозных оценок сдвижений и деформаций горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых.

Кроме того, анализ результатов моделирования сдвижений при проходке эскалаторных тоннелей также показал актуальность применения метода типовых кривых для описания получаемых на моделях мульд сдвижения. Установлено, что сложный трехмерный характер деформационных процессов, происходящих в массиве, не позволяет ограничиться рассмотрением двух главных сечений мульды сдвижения на земной поверхности (проходящих через точку с максимальными оседаниями вдоль и поперек оси эскалаторного тоннеля), поэтому в работе предложено рассматривать дополнительные поперечные сечения.

В разное время работы по развитию метода типовых кривых для описания мульд сдвижения велись С.Г.Авершиным, С.П.Колбенковым, Р.А.Муллером, А.Н.Павловым и др. Ими были предложены различные варианты аналитического выражения типовых функций.

Выполненный анализ данных натурных наблюдений и результатов моделирования показал, что для условий четвертичных отложений Санкт-Петербурга в качестве типовой кривой оседаний может быть использована предложенная С.П.Колбенковым функция вида:

где S(z) – усредненная функция типовой кривой оседаний, z=x/L (L - длина полумульды, х – абсцисса рассматриваемой точки (начало координат в точке максимального оседания)), е – основание натурального логарифма, a, b, с – постоянные коэффициенты.

По результатам регрессионного анализа функций оседаний, полученных по данным натурных наблюдений, определены коэффициенты типовой кривой оседаний в поперечном сечении: a=18.9;

b=1.90; c=-2.58. График полученной типовой функции представлен на рисунке 5. Точками на графике обозначены точки кривых оседаний из данных натурных наблюдений по всем рассмотренным эскалаторным тоннелям, приведенные к единичному виду.

Оседания (z), наклоны i(z) и кривизну k(z) в точках мульды сдвижения с использованием полученной типовой функции можно выразить следующим образом:

где max - максимальное оседание земной поверхности, S(z) – усредненная функция типовой кривой оседаний, S’(z), S”(z) – производные функции S(z) по z; z=x/L (L - длина полумульды, х – абсцисса рассматриваемой точки (начало координат в точке максимального оседания).

Для оценки величины максимального оседания анализировалась её зависимость от средних значений полной конвергенции контура тоннеля на момент окончания деформационных процессов в породном массиве. В качестве основы для такой оценки рассматривались теоретические решения механики сплошной среды для тоннельной выработки (полученные Г.Н. Савиным, С.Г. Гутманом и др.), позволяющие обеспечить прямую аналитическую связь указанных параметров. Наиболее близкие к модельным результаты были получены при использовании теоретического решения проф.

С.Г.Гутмана для тоннельной выработки, из которого максимальное оседание для земной поверхности можно представить в виде:

max = q · uСВ. Здесь uСВ – это максимальное (суммарное) смещение свода тоннеля (как интегральный показатель конвергенции); q – коэффициент, полученный из решения проф. С.Г.Гутмана. При этом коэффициент, характеризующий отношение максимального оседания на земной поверхности к оседанию в шелыге свода тоннеля на момент окончания проходки, определяется выражением:

где H – мощность четвертичных отложений, залегающих над осью тоннеля, R – радиус тоннеля, – средний коэффициент Пуассона четвертичных пород.

Результаты геомеханического моделирования сдвижений при проходке эскалаторных тоннелей в разных условиях подтверждают справедливость указанного соотношения с погрешностью на уровне 8-10%.

Для оценки величины максимального оседания поверхности на момент окончания процесса сдвижения с учетом дополнительных оседаний за счет вторичного перераспределения деформаций и реологических процессов предлагается использовать коэффициент qр, определяемый зависимостью вида (5), скорректированной посредством введения эмпирических коэффициентов, полученных на основе данных натурных наблюдений за сдвижениями в массиве на момент стабилизации деформационных процессов.

Кроме того, при построении прогнозной методики необходимо определять положение точки максимального оседания в мульде, которое, как показали исследования, в основном зависит от геологических условий проходки.

На основании анализа данных натурных наблюдений о вертикальных сдвижениях в массиве и на земной поверхности был сделан вывод о зависимости положения точки максимального оседания от положения так называемого «ослабленного» слоя в толще четвертичных пород. Указанный слой распространен практически на всей территории Санкт-Петербурга, и характеризуется пониженными значениями модуля деформации пород (в 2-3 раза меньшими, чем у окружающих его других четвертичных пород).

Для выявления характера влияния «ослабленного» слоя на положение точки максимального оседания была проведена серия экспериментов на моделях с различным положением ослабленного слоя в четвертичной толще (более 30 моделей). По результатам моделирования сделан вывод о том, что положение точки максимального оседания в мульде сдвижения определяется расположением зоны пересечения тоннеля и ослабленного слоя в толще четвертичных пород. При этом положение точки максимального оседания может быть определено как проекция на земную поверхность точки пересечения оси тоннеля и нижней границы ослабленного слоя.

3. В грунтовом массиве можно выделить приповерхностную зону, где вертикальные деформации растяжения практически отсутствуют. Эффективным способом снижения оседаний над тоннелем является применение методов грунтозакрепления в зоне проходки ниже указанной приповерхностной толщи.

Традиционным методом оценки поведения породного массива при изучении сдвижений и деформаций является маркшейдерский мониторинг по глубинным реперам.

Мониторинг сдвижений с использованием скважинных экстензометров применялся и при строительстве двух эскалаторных тоннелей станций метро «Адмиралтейская» и «Спасская» СанктПетербургского метрополитена. Наблюдательные станции на основе скважинных систем при проходке эскалаторных тоннелей состояли из нескольких вертикальных скважин, в которых на разных глубинах с интервалом примерно 10 м размещены датчики (рисунок 6).

Наблюдения за сдвижениями в глубине породного массива выполнялись сотрудниками ОАО «Ленметрогипротранс». Результаты наблюдений показывают, что в пределах зоны грунтозакрепления (реперы скважины Э1) оседания даже в шелыге свода тоннеля практически отсутствуют. Это позволило сделать вывод об эффективности традиционного варианта грунтозакрепления способом струйной цементации зоны массива в районе устья тоннеля, реализованного на двух станциях.

Результаты наблюдений показали, что наибольшие оседания локализованы в массиве в зоне четвертичных отложений после выхода ТПМК из зоны закрепления грунта и до входа в протерозойские глины. Максимальные оседания локализованы вблизи обделки тоннеля, с приближением к поверхности оседания затухают. Анализ значений оседаний по скважинным реперам на наблюдательных станциях двух эскалаторных тоннелей показывает неравномерность этого затухания – верхний слой мощностью примерно 8-10 м оседает равномерно, практически не испытывая вертикальных деформаций.

Результаты геомеханического моделирования сдвижений породного массива также подтверждают указанную закономерность.

Согласно геологическим разрезам, в пределах указанного приповерхностного слоя залегают техногенные отложения, пески, суглинки. Эти породы характеризуются повышенными (по сравнению с близлежащими слоями) значениями общего модуля деформации, что не создает условий для развития деформаций растяжения в пределах этих слоев. Но четвертичная толща, сложенная этими породами, не обладает несущей способностью, поэтому процесс сдвижения интенсивно проявляется на поверхности.

Учитывая вышеизложенное, для уменьшения оседаний на поверхности в работе предлагается организовать укрепление пород в пределах участка проходки ниже указанной приповерхностной толщи. Этот вариант обладает рядом преимуществ. Во-первых, нет необходимости укреплять большую зону проходки до земной поверхности. Во-вторых, вероятность проявления пучений земной поверхности над участком закрепления минимальна. В-третьих, для грунтозакрепления предполагается использование хорошо зарекомендовавшего себя метода струйной цементации грунтов.

Для обоснования эффективности предложенного метода были построены модели, имитирующие закрепление пород в зоне ниже приповерхностной толщи (рисунок 7). Модуль общей деформации указанного участка грунтозакрепления принят согласно данным испытаний на опытных участках и с учетом реальных физикомеханических характеристик вмещающих тоннель горных пород.

Анализ результатов проведенных расчетов показывает эффективность применения дополнительного грунтозакрепления зоны ослабленных грунтов по трассе тоннеля. Оседания на поверхности удается снизить в 2-3 раза по сравнению со стандартным вариантом грунтозакрепления. Кроме изменения величины оседаний следует отметить изменение характера распределения вертикальных сдвижений на поверхности, максимальные значения которых локализуются над границами зоны закрепления. Пример распределения оседаний в разрезе по оси тоннеля представлен на рисунке 8.

Наиболее оправданным использование метода грунтозакрепления способом струйной цементации представляется при проведении подземных работ в застроенных районах, где недопустимо возникновение значительных оседаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи разработки методики прогноза сдвижений и деформаций горных пород в зоне влияния строительства эскалаторных тоннелей метрополитена в горно-геологических условиях мегаполиса.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Проведен анализ условий проходки эскалаторных тоннелей с использованием ТПМК с пригрузом забоя и выявлены факторы, влияющие на развитие деформационных процессов в массиве и на земной поверхности. Показано, что даже при такой малоосадочной технологии деформации поверхности над тоннелем могут существенно превышать граничные значения, традиционно использующиеся для определения границ зоны опасного влияния.

2. Проанализированы и обработаны данные натурных исследований сдвижений горных пород и земной поверхности, полученные при строительстве всех эскалаторных тоннелей, пройденных ТПМК в Санкт-Петербурге. На основе этих данных выявлены некоторые устойчивые закономерности деформационного процесса и произведена оценка основных параметров процесса сдвижений.

3. Выявлены существенные недостатки применяемых в настоящее время методов натурных наблюдений, не позволяющие производить достоверную текущую оценку всех видов деформаций и разработать прогнозную методику расчета сдвижений и деформаций.

4. Обоснована правомерность применения математического моделирования на базе метода конечных элементов для оценки процессов сдвижений и деформаций пород при проходке эскалаторных тоннелей.

5. На основе данных моделирования выявлены закономерности развития деформаций горных пород в широком диапазоне исходных геометрических и физико-механических характеристик горногеологических условий проходки.

6. Совместный анализ данных натурных наблюдений и моделирования позволил определить в качестве граничных критериев деформации наклонов и горизонтальные деформации на уровне 0.20.3·10-3, по которым были получены зависимости для оценки углов влияния (граничных углов) в разных горно-геологических условиях.

7. На основе результатов моделирования сформулированы рекомендации по модернизации существующих методов натурных наблюдений и предложены новые способы таких наблюдений для оценки сдвижений и деформаций в породном массиве и на земной поверхности.

8. На основе данных натурных исследований и математического моделирования обосновано применение метода типовых кривых для оценки сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей.

9. Разработана прогнозная методика оценки сдвижений и деформаций на земной поверхности для условий проходки эскалаторных тоннелей ТПМК в Санкт-Петербурге, позволяющая с высокой степенью достоверности оценивать оседания на земной поверхности.

10. Предложен и теоретически обоснован способ снижения вредного влияния проходки эскалаторных тоннелей, основанный на использовании специальных вариантов грунтозакрепления в районе средней части эскалаторного тоннеля, позволяющий обеспечить сокращение максимальных оседаний в 2-3 раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Новоженин С.Ю. Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород при строительстве станции метро «Адмиралтейская» Санкт-Петербургского метрополитена // Записки Горного института, СПб, том 196, 2012 г., стр. 84-88.

2. Новоженин С.Ю. Оценка последствий ведения горных работ и строительства подземных объектов метро на высоковольтные ЛЭП / В.Н. Гусев, Е.М. Волохов, Н.С. Бак, С.Ю. Новоженин // Маркшейдерский вестник, № 5, 2012г., стр. 45-50.

3. Новоженин С.Ю. Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций от строительства тоннелей метро в четвертичных отложениях г.

Хошимина. / В.Н. Гусев, Е.М. Волохов, Н.С. Бак, С.Ю. Новоженин // Маркшейдерский вестник, №5, 2012 г., стр.51-53.

4. Новоженин С.Ю. Современные системы контроля сдвижений и деформаций при строительстве подземных сооружений. / Е.М. Волохов, С.Ю. Новоженин, Н.С. Бак // Записки Горного института, СПб, том 199, 2012 г., стр. 253-259.

5. Новоженин С.Ю. Анализ мульд сдвижения, полученных по результатам моделирования механизированной проходки эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге / С.Ю. Новоженин // Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования, охраны недр и строительства сооружений : межвуз. сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013 г., с.24-30.

6. Novozhenin S.U. Methods of tunneling excavation modeling on the basis of the finite element method in estimating of the earth’s surface displacements and strains above the tunnels / E.M.Volohov, S.U.Novozhenin, N.S.Bak. XI International ISM Congress, vol.1, 2013 г, p.611-617.

Рисунок 5 Типовая кривая оседаний, построенная по данным натурных наблюдений.

Рисунок 6 Расположение глубинных реперов в скважинах при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская»

Рисунок 7 Пример геомеханической модели с двумя участками грунтозакрепления Рисунок 8 Распределение оседаний в массиве и на поверхности при проходке эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская»: а). Без дополнительной зоны закрепления грунта, б). С применением дополнительного грунтозакрепления четвертичных пород

 
Похожие работы:

«СЕРЕБРЯКОВ Алексей Михайлович Геоинформационные средства анализа и разрешения нештатных ситуаций при строительстве морских трубопроводов Специальность 25.00.35 - Геоинформатика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2010 1 Работа выполнена на кафедре Морских информационных технологий Российского государственного гидрометеорологического университета Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Биденко Сергей...»

«ТИШКИНА ВИТАЛИЯ БОРИСОВНА ГЕНЕЗИС БЛАГОРОДНОГО ОПАЛА В ВУЛКАНИТАХ СЕВЕРЯНСКОЙ СВИТЫ (ПРИМОРСКИЙ КРАЙ) Специальность 25.00.04 – петрология, вулканология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук Владивосток 2006 Работа выполнена в Дальневосточном геологическом институте Дальневосточного отделения РАН Научный руководитель академик А.И. Ханчук Официальные оппоненты член-корреспондент РАН В.Г. Сахно (ДВГИ ДВО РАН, г. Владивосток)...»

«Максимова Ольга Евгеньевна Дендрохронологические реконструкции климатических и гидрологических параметров на Тянь-Шане (Киргизия) за последние столетия Специальность 25.00.25 – Геоморфология и эволюционная география Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Москва – 2011 г. Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте географии РАН Научный руководитель : чл.-корр. РАН, доктор географических наук Ольга Николаевна...»

«ГРАХАНОВ Сергей Александрович ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ РОССЫПЕЙ АЛМАЗОВ СЕВЕРО-ВОСТОКА СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ Специальность: 25.00.11 – геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых; минерагения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук Якутск – 2007 2 Работа выполнена в ОАО Нижне-Ленское Научный консультант : доктор геолого-минералогических наук, профессор Зинчук Николай Николаевич Официальные...»

«САМБУУ ГАНТОМОР ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ НА ОСНОВЕ ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО ПОДХОДА (на примере г. Улан-Батора) 25.00.36 – геоэкология (наук и о Земле) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Хабаровск – 2013 Работа выполнена на кафедре обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии Института недропользования ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет Научный руководитель доктор...»

«Чэнь Синьюй Берриас-нижнебарремские ринхонеллиды (тип Brachiopoda) Дагестана и их значение для стратиграфии 25.00.02 - Палеонтология и стратиграфия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогическнх наук Москва 2009 Работа выполнена на кафедре палеонтологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Научный руководитель : доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Смирнова...»

«РЫЖКОВА Ольга Владимировна МЕЗОЗОЙСКИЙ ЭТАП ИСТОРИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ КЛОПОВ ИНФРАОТРЯДА LEPTOPODOMORPHA (INSECTA, HEMIPTERA, HETEROPTERA) СИБИРИ И МОНГОЛИИ 25.00.02 – палеонтология и стратиграфия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва — 2013 Работа выполнена в Палеонтологическом институте им. А.А. Борисяка Российской академии наук Научный руководитель : кандидат биологических наук Попов Юрий Александрович (ПИН РАН) Официальные...»

«Литвиненко Иван Владимирович ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ДОННЫХ ОСАДКАХ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ Специальность 25.00.36 – Геоэкология (Науки о Земле) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Санкт-Петербург 2012 Работа выполнена на кафедре Геоэкологии и Природопользования факультета Географии и Геоэкологии Санкт-Петербургского Государственного...»

«Кренке Александр Николаевич (младший) ОТОБРАЖЕНИЕ ФАКТОРОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ЛАНДШАФТА НА ОСНОВЕ ТЕМАТИЧЕСКИХ КАРТ, ДИСТАНЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ И ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА Специальность 25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук МОСКВА - 2011 3 Работа выполнена в лаборатории биогеографии и в отделе физической географии и проблем природопользования...»

«ХУАН ЖАНЬ-ЖАНЬ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА ПРЕСНОВОДНЫХ ОЗЕР КИТАЯ Специальность 25.00.36 – Геоэкология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Санкт-Петербург Работа выполнена в...»

«АКИМЕНКО Дмитрий Олегович СНИЖЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ РУДНЫХ ШТАБЕЛЕЙ КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТОНОСНЫХ РУД Специальность 25.00.36 – Геоэкология (в горноперерабатывающей промышленности) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный минеральносырьевой университет Горный. Научный...»

«Калинченко Иван Сергеевич РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ИСЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАПОЛЯРЬЯ 25.00.32 – Геодезия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина (ФГБОУ ВПО ОмГАУ...»

«Менщикова Лариса Викторовна ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ СИСТЕМ РАССЕЛЕНИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЯ СЕЛЬСКОГО НАСЕЛЕНИЯ КУРГАНСКОЙ ОБЛАСТИ НА РУБЕЖЕ XX и XXI ВЕКОВ Специальность 25.00.24 – экономическая, социальная, политическая и рекреационная география АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учной степени кандидата географических наук Пермь – 2013 Работа выполнена на кафедре географии и природопользования Курганского государственного университета Научный руководитель : Завьялова Ольга...»

«Бондарева Галина Леонтьевна ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ И ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЯТИГОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД Специальность 25.00.07 – Гидрогеология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук Пермь 2011 Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) на кафедре геоэкологии, гидрогеологии и инженерной геологии доктор геолого-минералогических...»

«Глазунов Андрей Васильевич ВИХРЕРАЗРЕШАЮЩЕЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте вычислительной математики Российской академии наук Официальные оппоненты : Курганский Михаил Васильевич, доктор физико-математических наук, Федеральное...»

«НОВЫХ Иван Евгеньевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КАДАСТРОВОЙ ОЦЕНКИ ЗЕМЕЛЬ РЕГИОНАЛЬНЫХ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ОСОБЕННОСТЕЙ ИХ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА (на примере Белгородской области) 25.00.26. – землеустройство, кадастр и мониторинг земель АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Белгород – PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Работа выполнена на кафедре природопользования и земельного...»

«ПАНИДИ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ОЦЕНКА МЕТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И КАРТОМЕТРИЯ СРЕДСТВАМИ ГИС Специальность 25.00.35 – Геоинформатика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург - 2012 Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)....»

«Владимир Филиппович Гришкевич МАКРОСТРУКТУРА БЕРРИАС-АПТСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГЕОЛОГИИ НЕФТИ И ГАЗА 25.00.12 - геология, поиски и разведка горючих ископаемых АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук Тюмень - П о с та...»

«Мазуров Сергей Федорович КОМПЛЕКСНОЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АДМИНИСТРАТИВНЫХ И ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ И ИХ СТРУКТУР (НА ПРИМЕРЕ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА) 25.00.33 – Картография Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Иркутский государственный технический университет (ФГБОУ ВПО ИрГТУ)....»

«БОРИСОВА ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННОГО РИСКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ СЕЛЕНГИ Специальность 25.00.36 – геоэкология (географические наук и) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Улан-Удэ 2010 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН Научный руководитель член-корреспондент РАН Тулохонов Арнольд Кириллович Официальные оппоненты...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.