Прогноз стадийности подвижек грунта в продольной мульде поверхности над тоннелем по контролируемым параметрам щитовой проходки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

----------------------------------------------------- © С.В. Мазеин, 2011

УДК 622.272 С.В. Мазеин

ПРОГНОЗ СТАДИЙНОСТИ ПОДВИЖЕК ГРУНТА В ПРОДОЛЬНОЙ МУЛЬДЕ ПОВЕРХНОСТИ НАД ТОННЕЛЕМ ПО КОНТРОЛИРУЕМЫМ ПАРАМЕТРАМ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ

Определено влияние текущих технологических параметров на разные стадии осадки поверхности. Построены продольные мульды сдвижения грунта по силам линейных связей осадки с давлением пригруза, наклоном щита, подъемом колец обделки и скоростью проходки.

Ключевые слова: мульда сдвижений грунта, параметры щитовой проходки, линейная и полиномиальная аппроксимации

~П ведение. При разработке проекта строительства тоннеля должны учитываться породные сдвижения (подъемы и осадки грунтов), которые зависят не только от инженерно-геологических условий заложения выработки, но и от текущих параметров щитовой проходки, применяемой для неустойчивых грунтов. По результатам отечественных [1, 2, 3] и зарубежных [4] исследований, существуют следующие причины грунтовых подвижек, образующих мульду на поверхности над тоннелем:

• потеря равновесия между давлением грунта с грунтовой водой и противодавлением (пригрузом) головной части щитовой машины;

• нарушения грунтов из-за продвижения и трения щитовой машины

о грунт;

• возникновение свободного пространства за хвостовой оболочкой при движении щитовой машины и неудовлетворительное нагнетание тампонажного раствора с ослаблением на-

пряженного состояния окружающих грунтов;

• деформации и смещения тоннельной обделки с увеличением свободного зазора и несбалансированностью нагрузок;

• снижение уровня грунтовой воды с увеличением эффективного давления в грунте.

Г рунтовые подвижки вследствие продвижения современного щита с пригрузом представляют собой комплексные комбинации подъемов (выпоров) и осадок [5], которые достигают конечной величины после прохождения через 5 хронологических стадий (фаз):

1 стадия — опережающие осадки из-за течения пластично-текучего грунта внутрь щита;

2 стадия — осадки (подъем) перед щитом из-за несбалансированности давлений в забое;

3 стадия — осадки (подъем) при проходе щита из-за трения между щитовой машиной и грунтом, разрыхле-

ния грунта при расширительной подработке со снижением опорного эффекта;

4 стадия — осадки (подъем) из-за свободного пространства за хвостовой оболочкой сразу после прохождения щита из-за ослабления напряжений в грунте, сходящем с оболочки;

5 стадия — последующие осадки из-за разрыхления мягкого грунта и смещения тоннельной обделки, когда действие технологических факторов проходки практически прекращается.

Из-за преобладающего влияния параметров щитовой технологии с бентонитовым пригрузом на стадии осадок актуальны последние исследования как автора [6, 7, 8], так и других отечественных ученых [9, 10, 11], развивающие теорию и практическое применение щитового тоннелестроения. По мере накопления экспериментальных данных расширяющегося промышленного внедрения технологии тоннелестроения большими щитами с пригрузом забоя бентонитовой суспензией возникает необходимость обобщения исследований стадийного характера подвижек на поверхности земли, сопровождающих щитовую проходку. Для безопасного состояния городской поверхности над тоннелем важен прогноз конечной осадки по ранним ее стадиям, чтобы вовремя предпринять меры по минимизации развития осадочной мульды, такие как укрепление грунтового массива и применение щадящих технологических режимов проходки.

Целью данной работы является исследование стадийности грунтовых

подвижек над трассой тоннеля и соответствующего влияния технологических факторов щитовой проходки.

Задачи исследований:

• анализ технологических факторов значимого влияния на осадку;

• определение геометрических границ стадий подвижек по изменению линейного влияния значащих технологических параметров на конечную осадку над трассой тоннеля;

• последовательное построение стадий подвижек грунта по усредненной силе влияния значащих факторов технологии на конкретную стадию в продольной мульде над трассой тоннеля;

• математическое описание развития мульды перед, над и за щитом.

1. Анализ влияния технологических параметров на осадку

За показатель осадки поверхности принимается максимальная конечная осадка (Г) в центре мульды над монтируемым кольцом обделки второго транспортного тоннеля в Серебряном Бору [3], стабилизированная после удаления забоя от наблюдательных поперечных линий реперов поверхности. Факторами влияния (Фг), где і = 1...4, определяем выявленные ранее [6, 7] как значимые, технологические параметры щитовой проходки: усилие жидкостного пригруза забоя (Фі), [кПа]; наклон щита относительно оси тоннеля (Ф2), [мм/м]; подъем-

опускание колец обделки (Ф3), [мм]; скорость проходки (Ф4), [дм/сут].

Находим линейные зависимости осадки поверхности от технологических факторов (Ф1... Ф4) в нулевой

точке (над монтируемым кольцом). ки (У), а факторов (Ф2) и (Ф4) — к ее Рост значений факторов (Ф1) и (Ф3) увеличению (рис. 1). приводит к снижению конечной осад-

Рис. 1. Зависимости осадки У от технологических факторов Ф1...Ф4 в точке монтажа

Находим аналогичные зависимости на различном удалении (Ь) от нее (вперед и назад вдоль трассы) с определением коэффициента достоверно-

2 *

сти аппроксимации R = = /(Ь), представляемого как сила связи (У) с фактором (Фг) на расстоянии (Ь) между их замерами [12]. Учитываем силы ^ Фгф/) существующих линейных связей между одним I- и другим ]-фактором [7], хотя эти связи и менее существенны, чем ^\Ф*). Вычисляем приведенное значение силы R2YФi линейной связи (У) с (Ф1) (аналогично и для других факторов):

Р2 YФ1 = Я"уФ1 Х(1 — ^Ф1Ф2)х

(1 - Я2Ф1Ф3 ) х(1 - Р2 Ф1Ф4)

(1)

2 Определение геометрических границ стадий подвижек

Найденные таким образом приведенные силы линейных связей (Р^т) представляем как функции от соответствующего расстояния между замером (У) и замером (Фг). Полиномиальные (6 по-

рядка) линии тренда функций показывают силы связи осадки (У) и факторов (Ф) при высоких коэффициентах парной корреляции Я = 0,63...0,95 на различном удалении от щита (рис. 2).

Наиболее значимые факторы повышают свое влияние на первых стадиях осадки (пригруз (Ф1)) и на последних стадиях (наклон щита (Ф2)). На полученном графике проводим предполагаемые границы стадий осадки, с некоторыми допущениями соответствующие экстремумам тех или иных функций. В нашем случае начало первой стадии приходится на расстоянии ~140 м от замера (Фг), когда все (Я УФІ) стремятся к 0. На границе перехода первой стадии ко второй наблюдаются как намечающееся снижение связи осадки (У) со скоростью проходки (Ф4), так и минимум влияния подъема-опускания колец обделки (Ф3). То есть осаживаемый грунт меньше стабилизируется данными

факторами перед плоскостью сдвижения. Наиболее «размыта» граница между первой и второй стадиями, кото-

рая определяется углом сдвижения осаживаемого грунта:

(3 = 45° + ср/2, [°]

-100

-50

0

50

100

150

Рис. 2. Зависимости сил связей осадки с факторами Фі...Ф4

Этот угол между горизонтом и лучом от нижней точки забоя до точки максимального выгиба мульды ориентировочно рассчитывается через угол (ф) [°] внутреннего трения в грунте. Угол (Р) в зависимости от глубины (Н) [м] залегания свода забоя определяет протяженность второй стадии. Угол сектора первой стадии подвижек:

а = р - ф = 45° - ф/2 [°] (3)

Третья стадия располагается над щитом, а четвертая стадия заканчивается с прекращением влияния скорости проходки (Ф4) и при снижающемся влиянии других факторов. Конец пятой стадии соответствует стабилизированной конечной осадке, в среднем в 100 м за щитом.

Найденные границы стадий используем при построении результирующего профиля осадок в продольной мульде.

3. Построение стадий подвижек грунта

Для каждого аргумента (Ь), представляющего собой расстояние между замером (У) и замерами (Фг), находим среднеарифметическое значение

(Я2 УФ^Ь)) совокупности сил влияния

(Я2 УФг)'.

ЯФ (Ь) = ((Ь))/п, (4)

I=1

где п — количество значимых факторов (Ф^.

По данным рис. 2 определяем границы т--стадий (т = 5). Для каждой стадии находим среднеарифметическое значение (Я2ш(Ьт)) функций каждого аргумента, которое является долей стадии в конечной осадке (табл. 1).

Это значение представляем как усредненную долю стадии в границах (Ьт). Для построения текущих значений результирующей осадки в каждой стадии (т) представляем их в виде

Рис. 3. Продольное сечение мульды осадок, построенное по линейным связям с технологическими факторами

суммы со средними значениями в предыдущих стадиях:

Таблица 1

Результаты определения границ и долей стадий осадки

Номер стадии, (т) Г раницы стадии (¿т), [м] Доля стадии (КУФ1 (¿т ))

1 о 4 оо 4 0,17

2 'О 4 2 0,17

3 о 4 1 0,19

4 -40...-6 0,16

5 2 4 - о 0 -1 0,31

Я^уф^т)* = Я^уф/(Lm) + Я 2уФ1(Ът-\)

УФ1( L1)

(5)

Текущие значения результирующей осадки (У) представляем в виде функции (Я УФДХт)*), где аргументом является относительное удаление от забоя точки смещений, выражаемое как Lo = L/(H+D), где Н — глубина заложения свода, а D — диаметр тоннеля. По по-

лученным точкам графика проводим линию тренда в виде полинома 5 порядка, представляющую собой продольное сечение мульды с характерными изгибами (рис. 3). Таким образом, для прогноза конечной осадки можно пользоваться следующим математическим выражением:

у = 0,0011 ¿о5 + 0,0005!о4 -

-0,0267!о3 - 0,0107!о2 + 0,269!о —

0,484 (6)

Выводы

1. Найдены линейные зависимости осадки (У) поверхности от технологических факторов Фi (пригруз, наклон щита, подъем колец обделки и скорость проходки) в разной степени пространственно удаленных от точки измерений смещений.

2. Определены геометрические границы стадий подвижек по изменению линейного влияния значащих

технологических параметров на конечную осадку над трассой тоннеля.

3 Последовательно построены доли стадий подвижек грунта по усредненной силе влияния значащих факторов технологии на конкретную стадию в

1. Лиманов Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. ЛИИЖТ. Л., 1957. 239 с.

2. Демешко Е.А., Ходош В.А. Прогнозирование осадок поверхности при щитовой проходке тоннеля в песчаных грунтах. Ж. Метрострой № 3—4, 1963.

3. Чеботаев В.В., Щекудов Е.В., Андрианов А.Г. Прогнозирование деформаций грунтового массива при сооружении тоннелей щитами с активным пригрузом забоя (на примере Серебряноборских тоннелей) // Метро и тоннели. — 2007. — № 2. — С. 38—39.

4. AFTES Recommendations, Settlement induced by Tunneling. — France. — 1995.

5. Руководство по проектированию и строительству тоннелей щитовым методом (Перевод с английского В. Е. Меркина, В. П. Самойлова). — М.: «Метро и тоннели».

— 2009. — 448 с.

6. Мазеин С.В., Павленко А.М. Влияние текущих параметров щитовой проходки на осадку поверхности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — МГГУ. — 2007. — № 5. — С. 133—138.

7. Мазеин С.В. Разработка математических моделей для прогнозных осадок дневной поверхности по данным контроля грунта и технологических показателей

ТПМК // Горный информационно-аналитический бюллетень. — МГГУ. — 2009. — № 2. — С. 98—109.

продольной мульде над трассой тоннеля.

4. Найдено математическое выражение осадки мульды от приведенного расстояния до забоя для прогноза конечной осадки.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

8. Мазеин С.В., Вознесенский А.С. Влияние нагрузок от щита на вертикальную деформацию здания на поверхности вдоль трассы тоннеля // Горный информационноаналитический бюллетень. — МГГУ. — 2007. — № 11. — С. 155—164.

9. Маковский Л.В., Фам А.Т. Проходка тоннелей в слабоустойчивых грунтах. Определение параметров мульды осадок земной поверхности // Метро и тоннели. — 2006. — № 5. — С. 24—25.

10. Иофис М.А., Егоров П.А. Оценка, прогноз и контроль состояния грунтового массива при строительстве тоннелей // Труды Международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: Опыт и перспективы». — М. — 28—31 октября 2002 г. — С. 499—502.

11. Юфин С.А., Речицкий В.В. Оценка влияния строительства подземных сооружений на существующую городскую застройку // Труды Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений».

— Екатеринбург. — 2004. — 212—216 с.

12. Статистика: учеб. / под ред.

И.И. Елисеевой. — М.: ТК Велби, — 2005.

— С. 84.ЕШ

— Коротко об авторе --------------------------------------------------

Мазеин С.В. — кандидат технических наук, шеф-инженер ООО «Херренкнехт Транспортные Тоннели», E-mail: [email protected].

А