Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

РАСЧЕТ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ ТОННЕЛЯ, ПРОХОДИМОГО В СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ЗОНЕ

Цыганков Д.А. 1
1 ФГБОУ ВО Новосибирский государственный технический университет НЭТИ
В статье приводится расчет крепи тоннеля, проходимого в сложных горно-геологических условиях, включающих сейсмичность района строительства. Проведенная работа обосновывает крепление тоннеля до момента возведения постоянной обделки. Главной целью исследования является апробация программы расчета подземных конструкций РК-6 и метода Метропроекта в отношении горных выработок глубокого заложения. Исследования выполнены расчетным методом на основе использования фактических данных о физико-механических свойствах горных пород. В соответствии с нормативными документами в расчете временной крепи принята модель с заданной нагрузкой, основанная на современных взглядах строительной механики. В качестве расчетной модели принята стержневая система, находящаяся под воздействием предварительно определенных нагрузок и упругого отпора горной породы. Проверка сечений на прочность и расчет армирования проведены по первой группе предельных состояний. Для этого был использован раздел «Железобетон» программного комплекса «Статика 2007», разработанного ООО «Технософт». Проверка прочности и подбор арматуры железобетонной крепи проведены в расчетных сечениях на суммарные усилия от горного давления и собственного веса крепи. Проверка прочности и подбор армирования проведены при коэффициентах надежности по боковой нагрузке 1,2 и 0,7 в расчетных сечениях. В обоих случаях наиболее нагруженным является первое сечение. Согласно проведенному расчету принимаются тяжелый бетон B 25 и арматурная сталь A 240. В результате расчета было определено, что для проходки тоннеля в породах с коэффициентом крепости по Протодьяконову 1,5 и невозможности образования свода обрушения необходима арочно-бетонная крепь, а 4 – набрызг-бетонная.
горное давление
нагрузки
деформации
свод обрушения
собственный вес
временная крепь
прочность конструкции
сейсмичность
1. Paraskevopoulou C., Diederichs M. Analysis of time-dependent deformation in tunnels using the convergence-confinement method. Tunneling and Underground Space Technology. 2018. vol. 71. no 1. P. 62–80. DOI: 10.1016/j.tust.2017.07.001.
2. Wang J., Huo Q., Song Z., Zhang Y. Study on adaptability of primary support arch cover method for large-span embedded tunnels in the upper-soft lower-hard stratum. Advances in Mechanical Engineering. 2019. vol. 11. no. 1. P. 1–15. DOI: 10.1177/1687814018825375.
3. СП 122.13330.2012. Свод правил. Тоннели железнодорожные и автодорожные. Актуализированная редакция СНиП 32-04-97. М.: Минрегион России, 2016. 130 с.
4. СП 102.13330.2012. Свод правил. Тоннели гидротехнические. Актуализированная редакция СНиП 2.06.09-84. М.: Минрегион России, 2012. 156 с.
5. СП 63.13330.2012. Свод правил. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. М.: Минрегион России, 2011. 128 с.

Опыт проходки тоннелей показывает, что с ростом глубины их заложения и присутствия сейсмичности района расположения горные выработки испытывают значительную интенсивность проявления горного давления, а их крепь – опасные нагрузки и деформации. Данный расчет рассматривает крепление тоннеля на всех этапах его строительства до возведения постоянной обделки в условиях сейсмичности массива горных пород участка железной дороги, составляющей 6 баллов. Он выполнен на основе сочетания нагрузок, учитывающих горное давление и собственный вес конструкции [1, 2].

Целью исследования является апробация программы статического расчета подземных конструкций РК-6 и метода Метропроекта в отношении тоннелей, проходимых в сложных горно-геологических условиях, включающих сейсмичность массива горных пород.

Материалы и методы исследования

Исследования выполнены расчетным методом на основе использования фактических данных о физико-механических характеристиках горных пород в районе проходки горной выработки. В соответствии с нормативным документом [3] в статическом расчете временной крепи принята модель с заданной нагрузкой, основанная на положениях современной строительной механики. В качестве расчетной модели принята стержневая система, находящаяся под воздействием предварительно определенных нагрузок, с учетом упругого отпора горной породы. Расчеты выполнены на основе сочетания нагрузок, учитывающих горное давление и собственный вес конструкции.

Результаты исследования и их обсуждение

Расчеты проведены исходя из фактических данных о массиве горных пород, представленных в табл. 1.

Расчетные формулы приняты согласно рекомендациям источников [3, 4].

Высота свода обрушения определяется по формуле:

cigan01.wmf (1)

Нормативная вертикальная нагрузка при сводообразовании определяется по формуле:

qn = γh. (2)

Расчетная вертикальная нагрузка определяется по формуле:

qr = k1qn. (3)

Вертикальная нагрузка от собственного веса определяется по формуле:

qc = k3жб. (3)

Согласно принятым принципам нагрузка от собственного веса конструкции сосредоточена в узлах расчетной схемы. В таком случае нормативная горизонтальная нагрузка определяется по формуле:

cigan02.wmf (4)

cigan03.wmf (5)

Расчетная горизонтальная нагрузка определяется по формулам:

p1r = p1k2, (6)

p2r = p2k2, (7)

где k2 – коэффициент надежности по горизонтальной нагрузке от горного давления.

Коэффициент упругого отпора определяется по формуле:

cigan04.wmf (8)

Результаты расчета указанных в формулах (1–8) величин приведены в табл. 2.

Проведен статический расчет временной крепи от действия собственного веса и горного давления при коэффициенте надежности по боковой нагрузке 1,2. Исходные данные представлены в табл. 3 и 4.

Расчет проведен по схеме, представленной на рис. 1.

cigankov1.tif

Рис. 1. Расчетная схема при коэффициенте надежности крепи по боковой нагрузке 1,2: X, Y – горизонтальные и вертикальные декартовы координаты узлов

Результаты расчета представлены в табл. 5 и 6.

Эпюры, связанные с возникающими в стержнях и узлах нагрузками, представлены на рис. 2.

Таблица 1

Данные для расчета параметров временной крепи

Коэффициент крепости по Протодьяконову, f

Объемный вес горной породы, γ, г/см3

Кажущийся угол внутреннего трения,

φk, град

Коэффициент упругого отпора, k0, кг/см3

Высота выработки, H, м

Ширина вы работки, B, м

Коэффициент надежности по вертикальной нагрузке, k1

Коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса, k3

Объемный вес железобетона, γжб, г/см3

Площадь поперечного сечения крепи, S, м2

4

2,28

76

164

9,94

8

1,6

1,2

2,5

3,56

 

Таблица 2

Подготовка исходных данных

h, м

qn, тс/м

qr, тс/м

qc, тс/м

p1, тс/м

p2, тс/м

При k2 = 1,2

При k2 = 0,7

K, тс/м3

p1r, м

p2r, м

p1r, м

p2r, м

1,3

2,98

4,76

10,68

0,045

0,386

0,05

0,46

0,03

0,27

41000

 

Таблица 3

Характеристики узлов

узла

Декартовы координаты

Полярные координаты

Сосредоточенные нагрузки

X, м

Y, м

Угол

Радиус, м

Нагрузка верт., т

Нагрузка гор., т

Момент, тм

Град

мин

сек

1

0

6,162

0

0

0

6,162

0,53

0

0

2

1,550

5,785

15

0

0

5,989

0,53

0

0

3

2,744

4,753

30

0

0

5,488

0,53

0

0

4

3,446

3,446

45

0

0

4,873

0,53

0

0

5

3,791

2,189

60

0

0

4,378

0,53

0

0

6

3,873

1,038

75

0

0

4,010

0,53

0

0

7

3,812

0

90

0

0

3,812

0,53

0

0

8

3,748

–1,004

105

0

0

3,880

0,53

0

0

9

3,676

–2,123

120

0

0

4,245

0,53

0

0

10

3,553

–3,553

135

0

0

5,025

0,53

0

0

 

Таблица 4

Характеристики стержней

Номера

узлов

Распределенные нагрузки

Коэффициент упругого отпора, т/м3

Площадь поперечного сечения, м2

Момент инерции сечения, м4

Модуль деформации материала стержня, т/м2

Начало

Конец

Нагрузка верт., т/м2

Нагрузка гор., т/м2

1

2

4,76

0,08

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

2

3

4,76

0,12

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

3

4

4,76

0,17

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

4

5

4,76

0,21

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

5

6

0

0,26

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

6

7

0

0,30

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

7

8

0

0,35

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

8

9

0

0,40

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

9

10

0

0,44

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

 

Таблица 5

Результаты расчета стержней

Номера начала и конца стержня

Нормальное давление на грунт, т/м2

Момент, тм

Нормальная сила

в стержне, т

Поперечная сила

от момента, т

Начало

Конец

В начале

В конце

1–2

0

0

1,04

0,45

–14,04

–0,93

2–3

0

0

–0,45

0,15

–17,48

0,19

3–4

5,0

0,9

–0,15

–0,06

–20,62

0,14

4–5

4,7

2,3

0,06

–0,02

–23,08

–0,03

5–6

5,0

1,4

0,02

0,29

–24,26

–0,27

6–7

2,8

0

–0,29

–0,10

–24,75

0,37

7–8

0

0

0,10

–0,30

–25,30

0,20

8–9

0

0

0,30

–0,12

–25,86

–0,15

9–10

0

0

0,12

0

–26,44

–0,09

 

Таблица 6

Результаты расчета узлов

узла

Перемещения в системе X, Y

Угол поворота, рад

Горизонтальное смещение, м

Вертикальное смещение, м

1

0,00000

0

0,00150

2

–0,00056

–0,00015

0,00069

3

0

–0,00034

0,00037

4

0,00008

–0,00022

0,00036

5

0,00002

–0,00014

0,00031

6

0,00020

–0,00005

0,00026

7

0,00032

0,00026

0,00018

8

0,00008

0,00047

0,00011

9

–0,00020

0,00039

0,00005

10

–0,00030

0

0

 

cigankov2.tif

Рис. 2. Эпюры M (Mmax = 1,04 тм) таблица 5, N (Nmax = 26,44 тм) табл. 5, S (Smax = 0,00150 м) табл. 6. X, Y – горизонтальные и вертикальные перемещения узлов

cigankov3.tif

Рис. 3. Расчетная схема при коэффициенте надежности крепи по боковой нагрузке 0,7: X, Y – горизонтальные и вертикальные декартовы координаты узлов

Проведен статический расчет временной крепи от действия собственного веса и горного давления при коэффициенте надежности по боковой нагрузке 0,7. Исходные данные представлены в табл. 7 и 8.

Результаты расчета представлены в табл. 9 и 10.

Эпюры, связанные с возникающими в стержнях и узлах нагрузками, представлены на рис. 4.

Проверка сечений временной крепи на прочность и расчет армирования проведены по первой группе предельных состояний на основное сочетание нагрузок. Для расчета был использован комплект «Железобетон» программного комплекса «Статика 2007», разработанный ООО «Технософт». Алгоритм программы основан на положениях [5].

При коэффициенте надежности по боковой нагрузке 1,2 проверка прочности и подбор армирования проведены в расчетных сечениях на суммарные усилия от горного давления и собственного веса. Значения суммарных усилий приведены в табл. 11.

Таблица 7

Характеристики узлов

№ узла

Декартовы

координаты

Полярные координаты

Сосредоточенные нагрузки

X, м

Y, м

Угол

Радиус м

Нагрузка верт., т

Нагрузка гор., т

Момент, тм

Град

мин

сек

1

0

6,162

0

0

0

6,162

0,53

0

0

2

1,550

5,785

15

0

0

5,989

0,53

0

0

3

2,744

4,753

30

0

0

5,488

0,53

0

0

4

3,446

3,446

45

0

0

4,873

0,53

0

0

5

3,791

2,189

60

0

0

4,378

0,53

0

0

6

3,873

1,038

75

0

0

4,010

0,53

0

0

7

3,812

0

90

0

0

3,812

0,53

0

0

8

3,748

–1,004

105

0

0

3,880

0,53

0

0

9

3,676

–2,123

120

0

0

4,245

0,53

0

0

10

3,553

–3,553

135

0

0

5,025

0,53

0

0

 

Таблица 8

Характеристики стержней

Номера

узлов

Распределенные нагрузки

Коэффициент упругого отпора, т/м3

Площадь поперечного сечения, м2

Момент инерции сечения, м4

Модуль деформации материала стержня, т/м2

Начало

Конец

Нагрузка верт., т/м2

Нагрузка гор., т/м2

1

2

4,76

0,04

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

2

3

4,76

0,07

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

3

4

4,76

0,10

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

4

5

4,76

0,12

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

5

6

0

0,15

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

6

7

0

0,18

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

7

8

0

0,20

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

8

9

0

0,23

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

9

10

0

0,26

41000

0,1500

0,0003

3 000 000

 

Таблица 9

Результаты расчета стержней

Номера начала и конца стержня

Нормальное давление на грунт, т/м2

Момент, тм

Нормальная сила в стержне, т

Поперечная сила от момента, т

Начало

Конец

В начале

В конце

1–2

0

0

1,05

0,45

–14,01

–0,94

2–3

0

0

–0,45

0,15

–17,48

0,19

3–4

5,1

0,9

–0,15

–0,06

–20,66

0,14

4–5

4,9

2,2

0,06

0,02

–23,14

–0,06

5–6

4,9

2,0

–0,02

0,03

–24,32

–0,01

6–7

3,4

0,0

–0,03

–0,05

–24,81

0,08

7–8

0

0

0,05

–0,09

–25,36

0,04

8–9

0

0

0,09

0,06

–25,90

–0,14

9–10

0,1

0

–0,06

0

–26,46

0,04

 

Таблица 10

Результаты расчета узлов

№ узла

Перемещения в системе X, Y

Угол поворота, рад

Горизонтальное смещение, м

Вертикальное смещение, м

1

0

0

0,00153

2

–0,00057

–0,00015

0,00071

3

0

–0,00035

0,00038

4

0,00008

–0,00023

0,00037

5

0,00005

–0,00014

0,00032

6

0,00008

–0,00007

0,00027

7

0,00007

0,00002

0,00020

8

–0,00001

0,00005

0,00015

9

–0,00003

0

0,00008

10

0,00002

0

0

 

cigankov4.tif

Рис. 4. Эпюры M (Mmax = 1,05 тм) таблица 9, N (Nmax = 26,46 тм) табл. 9, S (Smax = 0,00153 м) табл. 10. X, Y – горизонтальные и вертикальные перемещения узлов

Таблица 11

Суммарные усилия на временную крепь тоннеля от горного давления и собственного веса конструкции

№ стержня

Горное давление

Суммарные усилия

M, тм

N, тс

M, тм

N, тс

1

1,04

–14,04

1,04

–14,04

2

–0,45

–17,48

–0,45

–17,48

3

–0,15

–20,62

–0,15

–20,62

4

0,06

–23,08

0,06

–23,08

5

0,02

–24,26

0,02

–24,26

6

–0,29

–24,75

–0,29

–24,75

7

0,10

–25,30

0,10

–25,30

8

0,30

–25,86

0,30

–25,86

9

0,12

–26,44

0,12

–26,44

 

Таблица 12

Суммарные усилия на временную крепь тоннеля от горного давления и собственного веса

№ стержня

Горное давление

Суммарные усилия

M, тм

N, тс

M, тм

N, тс

1

1,05

–14,01

1,05

–14,01

2

–0,45

–17,48

–0,45

–17,48

3

–0,15

–20,66

–0,15

–20,66

4

0,06

–23,14

0,06

–23,14

5

–0,02

–24,32

–0,02

–24,32

6

–0,03

–24,81

–0,03

–24,81

7

0,05

–25,36

0,05

–25,36

8

0,09

–25,9

0,09

–25,9

9

–0,06

–26,46

–0,06

–26,46

 

В данном случае наиболее нагруженным сечением является сечение 1. Согласно [5] принимаются тяжелый бетон B 25 и арматурная сталь A 240.

При коэффициенте надежности по боковой нагрузке 0,7 проверка прочности и подбор армирования проведены в расчетных сечениях на суммарные усилия от горного давления и собственного веса. Значения суммарных усилий приведены в табл. 12.

В данном случае также наиболее нагруженным является сечение № 1. Согласно [5] принимаются тяжелый бетон B 25 и арматурная сталь A 240.

Результаты расчета временной крепи тоннеля на основное сочетание нагрузок подтверждают устойчивость принятой набрызг-бетонной крепи толщиной 150 мм с металлической сеткой 100×100×5 мм.

Выводы

В результате расчета временных крепей для обеспечения прочности конструкций необходимо обеспечить следующее крепление тоннеля:

– в грунтах с коэффициентом крепости по Протодьяконову 1,5 при невозможности образования свода обрушения – арочно-бетонная крепь (двутавр № 30 с шагом 1 м);

– в грунтах с коэффициентом крепости по Протодьяконову 4 – набрызг-бетонная крепь толщиной 150 мм с металлической сеткой 100×100×5 мм, расположенной в сжатой и растянутой зонах.


Библиографическая ссылка

Цыганков Д.А. РАСЧЕТ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ ТОННЕЛЯ, ПРОХОДИМОГО В СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ЗОНЕ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 5. – С. 108-114;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37400 (дата обращения: 15.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074