SWorld - 2-12 October 2012 http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-conferences/archives-of-individual-conferences/oct-2012 SCIENTIFIC RESEARCHES AND THEIR PRACTICAL APPLICATION. MODERN STATE AND WAYS OF DEVELOPMENT ‘2012,

Доклад/ Геология – Гидрология и геотектоника

УДК 622.1:551.24

Дуванский А.В.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

НА ТОННЕЛИ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ,

РАСПОЛОЖЕННЫЕ В НАРУШЕННОМ МАССИВЕ

Дочернее предприятие «Научно-исследовательский и проектный институт

«Донецкий Промстройниипроект» государственного

акционерного общества «Строительная компания «Укрбуд»,

Донецк, Университетская 112, 83004

UDC 622.1:551.24

Duvansky A.V.

DETERMINATION OF INFLUENCE OF TECTONIC STRESSES ON THE

DEEP LEVEL TUNNELS, LOCATED IN THE BROKEN ARRAY

Daughter enterprise «Research and design institute «Donetsk Promstroyniiproekt»

of the state joint stock company «Building company «Ukrbud»,

Donetsk, Universitetskaya str., 83004

Рассмотрена актуальная проблематика определения напряжений в

грунтовом массиве, образованных тектоническими процессами. Отражен

механизм влияния тектонических воздействий на тоннели глубокого

заложения в нарушенном грунтовом массиве.

Ключевые слова: тектонические нарушения, тектонические напряжения,

обделка тоннеля.

The actual problematic of determination of stresses in the ground array, formed

by tectonic processes is considered. The mechanism of influence of the tectonic

effects on deep level tunnels in the broken ground array is reflected.

Key words: tectonic disturbance, tectonic stresses, tunnel lining.

Введение

Строительство тоннелей метрополитенов, коммуникационных тоннелей и

других глубоких протяженных сооружений часто осложнено геологическим

сложением грунтового массива. Строители и проектировщики не раз

сталкивались с различными сложными геотехническими условиями, но

проблемы строительства, связанные с деформациями грунтового массива и,

особенно, его нарушениями, вызванными тектоническими процессами, на

сегодняшний день не имеют однозначного определения. Тектонические

процессы, образующие деформации грунтового массива и его нарушения, как

правило, обусловлены высокими полями напряжений. Особенно неоднозначны

поля напряжений в местах тектонических нарушений, поэтому неправильное

определение влияния этих нарушений при проектировании может привести к

недопустимым деформациям подземных сооружений.

Определение напряжений в грунтовом массиве, вызванных

тектоническими процессами

Необходимо отметить, что теория и практика должны дополнять друг

друга, поэтому для выбора метода определения напряжений в грунтовом

массиве необходимо сопоставлять теоретические и практические методы по

предложенной структуре (рис.1).

Рис.1. Структура методов исследования

напряженно-деформированного состояния грунтового массива

Натурные методы прямого определения напряжений в грунтовом массиве

являются наиболее достоверными. Среди таких методов наиболее

эффективными для определения напряжений в нетронутом массиве являются

методы буровых скважин и геофизические методы. Такие методы с

применением необходимого оборудования наименее трудоемки и достаточно

точны. По результатам испытаний можно получить напряжения в грунтовом

массиве иzσ , и

xσ , иyσ , в любой заданной точке.

Для дальнейшего установления тектонической составляющей найденного

напряжения можно воспользоваться гравитационной теорией [1]:

hгz γσ = , Нhг

yx γν

νλγσ−

==1, (1)

По упругой теории напряженного состояния грунтового массива [2] можно

заключить, что в найденных напряжениях присутствует тектоническая

компонента (рис.2).

Рис.2. Схема напряженного состояния грунтового массива: а) от горного давления; б) от тектонических воздействий

Для дальнейшего определения тектонических напряжений достаточно

вычесть из напряжений, полученных путем исследования, теоретические

напряжения полученных в формуле (1):

гyxz

иyxz

тyxz ,,,,,, σσσ −= (2)

Полученные напряжения можно учесть при расчетах обделок тоннелей с

помощью известных методов расчета [3] в различных постановках с

применением выведенных формул. Однако, учитывая большую трудоемкость

расчетов и развитие современных расчетных комплексов, основанных на

методе конечных элементов (МКЭ), существует необходимость в реализации

напряженно-деформированного состояния грунтового массива аналитическими

методами с учетом тектонической составляющей, на моделях, созданных в

современных программных комплексах. Такой подход позволит более

экономично оценить влияние конкретных тектонических воздействий на

различные подземные сооружения глубокого заложения, в том числе и тоннели.

Применение аналитических методов для определения напряженного

состояния грунтового массива в нарушенных зонах

Базируется на создании расчетных схем с помощью МКЭ. Конечные

элементы, применяемые в построении расчетной схемы, определяют тип схемы

по степени дискретизации в математическом понятии.

Для построения дискретных расчетных схем достаточно использование

программных комплексов, имеющих возможность моделировать стержневыми

элементами различные схемы с возможной задачей граничных условий.

Используя дискретные расчетные схемы (рис.3), можно найти напряженно-

деформируемое состояние системы «грунтовый массив-обделка» [4]. Однако

использование таких схем значительно ограничивает возможности реализации

дополнительных (снимаемых) напряжений, возникающих на контуре

выработки.

При использовании дискретно-континуальных схем, где дискретной

выполняется модель обделки, можно более точно отразить работу системы

«грунтовый массив-обделка» на различных стадиях устройства конструкции

тоннеля.

Используя современные отечественные строительные программные

комплексы (Scad, Лира), в которых используется метод перемещений, можно на

основных положениях теории упругости и гравитационной теории получить

напряженное состояние модели нетронутого грунтового массива (рис.4).

Рис.3. Дискретная расчетная схема обделки

по методу ДП «Донецкий Промстройниипроект»

Рис.4. Вертикальные напряжения в грунтовом массиве

от веса грунта σz (т/м2), полученные в программе Scad11.1

Далее необходимо проверить возможность реализации выработки в

массиве, при этом контур выработки должен отражать снимаемые напряжения.

На основании работ [3, 4], установлена теоретическая формулировка этих

напряжений:

Θ

+

−+

−

+= 2cos31

211

21

1

10

2

20

rr

rrhz

λλγσ (3)

Θ

−+

−−

−

+= 2cos431

211

21

2

20

1

10

2

20

rr

rr

rrhx

λλγσ (4)

Расчет модели грунтового массива с выработкой в программе Scad 11.1

отражает снимаемые напряжения в соответствии с формулами (3) и (4) (рис.5).

Рис.5. Распределение вертикальных напряжений

в грунтовом массиве с незакрепленной выработкой σz (т/м2),

полученные в программе Scad11.1

Так как программа имеет возможность адекватно учитывать распределения

напряжений в нетронутом массиве и в массиве с неподкрепленной выработкой

в соответствии с положениями теории упругости, то следует предположить, что

в массиве с подкрепленной выработкой напряжения распределятся адекватно.

Поэтому, главной задачей в построении модели с учетом тектонических

воздействий, является реализация механизма образования этих напряжений.

Существенное влияние на отражение тектонических напряжений в массиве

оказывает тот факт, что массив уже имеет установившееся поле напряжений с

произошедшими деформациями и перемещениями.

Для определения тектонических напряжений выбраны две схемы

нарушенного грунтового массива (рис.6).

Рис.6. Схемы тектонических нарушений грунтового массива:

а) складчатые; б) разрывные

В случае складчатого нарушения грунтового массива (рис.6а), можно

принять расчетную модель, указанную на рис.4, с изменением граничных

условий. Так как в модели нетронутого грунтового массива понизу заданы

граничные условия в виде исключения перемещений узлов в вертикальном

направлении (модель абсолютно жесткого подстилающего слоя грунта), то

задавая в нижних узлах упругие элементы различной жесткости, получим

разные вертикальные перемещения в массиве, соответствующие

действительным складчатым нарушениям (рис.7а). В результате образуется

область сжатия, и, соответственно, создаются дополнительные горизонтальные

напряжения (рис.7б).

В случае разрывного нарушения в виде надвига необходимо реализовать

механизм образования сместителя и надвига левого и правого крыла (см.

рис.6б). Для образования надвига достаточно правильно задать перемещения

одного крыла, так как граничные условия второго крыла не дадут перемещений

и, соответственно, образуется упругий отпор, что соответствует

действительным процессам, проходящим в надвиге. При этом надо учесть

тектоническое движение, которое происходит в массиве [5,6].

а)

б)

Рис.7. Модель грунтового массива с обделкой в складчатом

нарушении: а) деформации; б) горизонтальные напряжения σх

Таким образом, в схеме грунтового массива (рис.4) был выполнен

сместитель путем исключения прямоугольных элементов и установки

стержневых элементов между свободными узлами с жесткостью, которая

соответствует зоне перемятых пород в области сместителя. Постоянные

тектонические движения были учтены вынужденными перемещениями,

приложенными к крайним узлам моделируемого лежачего крыла.

а)

б)

Рис.8. Модель грунтового массива с обделкой в складчатом

нарушении: а) деформации; б) горизонтальные напряжения σх

По результатам численных исследований были получены деформации

(рис.8а), отражающие действительные процессы в области сместителя. Также

по результатам расчета были получены значительные горизонтальные

напряжения (рис.8б), являющиеся признаком тектонических воздействий.

Выводы

1. Результаты анализа методик определения тектонических напряжений в

грунтовом массиве показывают, что наиболее точными являются натурные

методы. Однако и они с одной стороны дают возможность определить

величину тектонических напряжений и с другой не дают возможности оценить

влияние этих напряжений на проходящие в массиве подземные сооружения.

2. Более эффективным является применение аналитических дискретно-

континуальных методов, которые позволят смоделировать как напряжения в

массиве, так и воздействия на подземные сооружения. Подтверждением

являются полученные тектонические напряжения с достаточно точной оценкой,

величины которых находятся в пределах, установленных в работах ряда

авторов, где горизонтальные деформации сжатия в 10÷16 раз больше

горизонтальных нагрузок от веса грунта, а вертикальные – всего в 2÷5 раз

больше вертикальных нагрузок от веса грунта.

3. Применение комбинации методов позволило бы более точно определить

тектонические напряжения и их воздействия. Таким примером может быть

комбинация метода моделирования эквивалентных материалов и

аналитического дискретно-континуального метода или комбинация натурного

геофизического метода и аналитического дискретного метода.

Литература:

1. Динник А.Н. Устойчивость упругих систем. – М.: Изд-во АН СССР,

1950. – 245с.

2. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И., Козырев А.А.

Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок. –

Л.: Наука, 1978 – 256с.

3. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. – М.: Недра, 1982. –

270с.

4. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Розенвассер Г.Р., Шамрин Ю.Е. Расчет

сборных обделок коллекторных тоннелей с учетом контактного взаимодействия

с грунтовым массивом // Основания, фундаменты и механика грунтов. – М.:

Стройиздат., 1988. – 18–20с.

5. Тимошенко С.П. Теория упругости. – М.: Наука, 1975. – 576с.

6. Белоусов В.В. Геотектоника. – М.: Наука, 1976. – 334с.

7. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. – М.:

Изд-во МГУ, 1995. – 334с.

Reference:

1. Dinnik A.N. Stability of elastic system. – М.: Publishing AN USSR, 1950. –

245p.

2. Turchaninov I.A., Markov G.A., Ivanov V.I., Kozyrev A.A., Tectonic stresses

in lithosphere and opening strength. – L.: Science, 1978 – 256p.

3. Bulychyov N.S. Mechanics of underground constructions. – М.: Entrails,

1982. – 270p.

4. Bulychyov N. S., Fotiyeva N. N., Rozenvasser G.R., Shamrin Yu.E.

Calculation of the national teams an obdelok of collector tunnels taking into account

contact interaction with the soil massif // The bases, the bases and mechanics of soil.

– М.: Build publishing., 1988. – 18–20p.

5. Tymoshenko S. P. Elasticity theory. – M: Science, 1975. – 576p.

6. Belousov V. V. Geotectonics. – M: Science, 1976. – 334p.

7. Hain V. E., To Lomiza M. G. Geotectonics with geodynamics bases. – M:

Moscow State University publishing house, 1995. – 334p.