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.

Статья в формате PDF

0 KB

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:

q_n = γh. (2)

Расчетная вертикальная нагрузка определяется по формуле:

q_r = k₁q_n. (3)

Вертикальная нагрузка от собственного веса определяется по формуле:

q_c = k₃Sγ_жб. (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, γ_жб, г/см3

Площадь поперечного сечения крепи, S, м2

2,28

164

9,94

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
	X, м	Y, м	Град	мин	сек	Радиус, м	Нагрузка верт., т	Нагрузка гор., т	Момент, тм
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	Коэффициент упругого отпора, т/м3	Площадь поперечного сечения, м2	Момент инерции сечения, м4	Модуль деформации материала стержня, 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
Номера начала и конца стержня	Начало	Конец	В начале	В конце	Нормальная сила в стержне, т	Поперечная сила от момента, т
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
№ узла	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
	X, м	Y, м	Град	мин	сек	Радиус м	Нагрузка верт., т	Нагрузка гор., т	Момент, тм
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	Коэффициент упругого отпора, т/м3	Площадь поперечного сечения, м2	Момент инерции сечения, м4	Модуль деформации материала стержня, 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
Номера начала и конца стержня	Начало	Конец	В начале	В конце	Нормальная сила в стержне, т	Поперечная сила от момента, т
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
№ узла	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
№ стержня	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
№ стержня	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: 16.04.2024).

Переводная версия журнала "Современные проблемы науки и образования"
"Modern Problems of Science and Education. Surgery» (ISSN - 2686-9101)

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Современные проблемы науки и образования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,006

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674

«Современные наукоемкие технологии» список ВАК ИФ РИНЦ = 0,940

«Успехи современного естествознания» список ВАК ИФ РИНЦ = 0,775

«Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований» ИФ РИНЦ = 0,593

«Международный журнал экспериментального образования» ИФ РИНЦ = 0,425

«Научное Обозрение. Биологические Науки» ИФ РИНЦ = 0,400

«Научное Обозрение. Медицинские Науки» ИФ РИНЦ = 0,801

«Научное Обозрение. Экономические Науки» ИФ РИНЦ = 0,871

«Научное Обозрение. Педагогические Науки» ИФ РИНЦ = 0,733

«Научное Обозрение. Технические Науки» ИФ РИНЦ = 0,695

«European journal of natural history» ИФ РИНЦ = 0,301

«Международный студенческий научный вестник»

Издание научной и учебно-методической литературы ISBN РИНЦ DOI

РЕЦЕНЗИИ и ОТЗЫВЫ
кандидатов и докторов наук
на статьи, авторефераты, диссертации, монографии, учебники, учебные пособия

Академия Естествознания готовит к изданию реестр новых научных направлений, разработанных российскими учеными

Научный журнал
Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Библиографическая ссылка

Успехи современного естествознания
Научный журнал | ISSN 1681-7494 | ПИ №77-63398