Розробка технологій проходки виробок великого перерізу в складних інженерно–геологічних умовах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНИСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 622.013.2 (075)

РОЗРОБКА ТА ОБРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ НОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРОХОДКИ ВИРОБОК ВЕЛИКОГО ПЕРЕРІЗУ В СКЛАДНИХ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ УМОВАХ

Спеціальність: 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Петренко Володимир Іванович

Дніпропетровськ 2000



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі Тунелі, основи та фундаменти Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту Міністерства транспорту України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник

Доктор технічних наук ПЕТРЕНКО Володимир Дмитрович, старший науковий співробітник, завідувач кафедри Тунелі, основи і фундаменти Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту, лауреат Державної премії України в області науки і техніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук ЛЕВІТ Віктор Володимирович, начальник ШПБУ-3 ДВАТ тресту “Донецькшахтопроходка” (м. Донецьк)

кандидат технічних наук, доцент БАБІЮК Геннадій Васильович, доцент кафедра Будівництво шахт та підземних споруд Донбаського гірничо-металургійного інституту Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Провідна установа

Кафедра будівництва шахт та підземних споруд Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “__27__” ___грудня___ 2000 р. о _14_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національній гірничій академії України (49027 м. Дніпропетровськ -27, пр.К.Маркса,19)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України за адресою: 49027, м. Дніпропетроськ- 27, пр. К.Маркса, 19

Автореферат розісланий “_26__” __листопада___ 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, старший науковий співробітник РОЄНКО А.М.

проходка виробка переріз складний



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення обсягів підземного будівництва та метрополітенів у містах, особливо при складних інженерно-геологічних умовах, викликає необхідність у розробці нових та удосконаленні діючих технологій їх будівництва, щоб забезпечити високі швидкості та рівень механізації прохідницьких робіт при низьких витратах праці, енергії та коштів.

Будівництво тунелів та інших підземних виробок метрополітенів, включаючи стволи, похилі ходи та інші, дуже часто здійснюється в глинистих (спонділові - Київ, кембрійські - Санкт-Петербург) або глиноутримуючих грунтах (cуглинки, каолініти та ін.), які мають властивості та пластичності. Крім того, в багатошарових грунтах часто зустрічаються водонасичені утворення. Такі грунти мають невелику міцність.

При влаштуванні в глинистих грунтах підземних виробок великого перерізу необхідно вирішувати складні інженерні завдання підтримання їх стійкості, особливо в забійній частині, та забезпечення міцності кріплення (обробки) при оперативному введенні його в роботу шляхом зв'язку з грунтовим масивом. Такі завдання: забезпечення тривалої міцності, стійкості, надійності та довговічності підземних споруд і зараз стають складовою частиною великої науково- технічної та інженерної проблеми, над вирішенням якої працюють численні дослідницькі лабораторії, вчені та виробники.

Перспективними та ефективними напрямками в розв'язанні завдань кріплення і утримання виробок великого перерізу, що розробляються вченими країни в останній час, є цілеспрямоване вивчення аналітичним та експериментальним шляхами поведінки системи “кріплення-масив”. Крім того, визначається сумісне деформування масиву та кріплення з метою вибору найбільш раціональних, з точки зору безпеки, підземних будівельних конструкцій. Усе це в значній мірі впливає на розробку сучасних технологій підземного будівництва тунелів метрополітену в складних інженерно- геологічних умовах.

Таким чином, завдання розробки та вдосконалення технологій проходки виробок великого перерізу різного похилу для підвищення їх стійкості при зростанні терміну їх служби і зниження загальних витрат є актуальним і його розв'язання має важливе практичне значення. Таке завдання, що пов'язане зі створенням нових технологій будівництва великих підземних споруд метрополітенів у складних інженерно-геологічних умовах, вирішується у дисертаційній роботі.

Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-технічної програми України “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, програм Міністерства транспорту і Державної корпорації “Укрметротунельбуд”, генеральним планом розвитку метробудівництва в м. Києві та інших містах держави.

Мета роботи - дослідження, обгрунтування та розробка нових технологій проведення виробок великого перерізу в слабких зв'язуючих грунтах.

Завдання дослідження:

- визначити фізико-механічні, міцнісні та деформаційні характеристики глинистих грунтів, у яких проходять виробки великого перерізу;

- розробити методику розрахунку параметрів тиску на тимчасове кріплення у призабійній зоні та несучій здатності металевих та пневмобалонних конструкцій;

- розробити методику розрахунку і визначити умови використання збірної залізобетонної обробки за геометричними та міцносними параметрами;

- розробити технологічні схеми проведення виробок великого перерізу з розділенням вибою на яруси та порівняти їх з варіантом пілот-тунелю;

- розробити нові та удосконалити існуючі технології проведення горизонтальних, вертикальних та похилих виробок великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах;

- виконати техніко-економічне обгрунтування ефективності нових технологій проведення виробок великого перерізу в слабких грунтах.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, який включає вивчення літературних даних, аналітичні, лабораторні та промислові дослідження, використання методів будівельної механіки та механіки підземних споруд для визначення напружено-деформуючого стану породного масиву та кріплення з метою розрахунку його міцності, стійкості, надійності та довговічності.

Наукові положення, що захищаються в дисертації

1. При розкритті ґрунту у великому перерізі горизонтальної виробки діють об'ємні сили в межах склепіння тиску та призми зсуву, яка має криволінійний обрис у боках перерізу поперек осі та прямолінійний - вздовж осі виробки, що дозволяє більш точно визначати нормальні та дотичні напруження на поверхнях сповзання і, в свою чергу, діють на тимчасове кріплення навантаження.

2. Інтенсивність бокового тиску на конструкцію стволу, що продавлюється у ґрунтовий масив з різнорідними шаровими утвореннями, має нелінійний або кусочно-лінійний характер, а максимальні напруги стиску та моменти вигину в перерізі обробки діють на межах найнижчих водонасичених та щільних сухих грунтів.

Обгрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується використанням в аналітичних дослідженнях фундаментальних положень механіки підземних споруд та будівельної механіки, а в експериментальних - комплексним методом, який включає вивчення в лабораторних умовах характеристик грунтів та на моделях процесу деформування виробки і підтверджується задовільним збігом розрахункових значень напружень у конструкціях кріплення з натурними показниками, а також практикою безаварійної роботи виробок великого перерізу в слабких грунтах складної будови.

Наукова новизна роботи

1. Уперше запропонований напружено-деформований стан масиву грунту у вибійній частині виробки великого перерізу визначається на основі об'ємної зонної моделі склепіння тиснення та призми зсуву.

2. Розроблені методики розрахунку несучої здатності тимчасового кріплення, яке складається з двотаврових балок або пневбалонових конструкцій з анкерами.

3. Розроблені методики розрахунку несучої здатності уніфікованого залізобетонного кріплення для використання при проходці вертикальних похилих та горизонтальних виробок великого перерізу.

Практичне значення роботи

Використання розроблених технологій дозволяє:

вирішити завдання розширення фронту робіт при будівництві станційних виробок метрополітену великого перерізу;

збільшити продуктивність праці прохідників при використанні нових видів тимчасового та постійного кріплення;

уніфікувати залізобетонне кріплення, що використовується при проходці вертикальних, похилих та горизонтальних виробок;

значно скоротити термін будівництва;

підвищити безпеку виконання робіт.

Реалізація результатів досліджень

1. Результати дисертаційної роботи використані при будівництві складних інженерних об'єктів метрополітену та ряду інших підземних споруд, які збудовані корпорацією “Укрметротунельбуд”.

2. Розроблені технологічні інструкції, карти, проекти виконання робіт та інші документи для будівництва перегінних та станційних тунелів метрополітенів, а також стволів, похилих ходів та інших виробок.

3. Розроблені технологічні схеми та технічні документи, які впроваджені при будівництві “Сирецько-Печерської” лінії та інших об'єктів Київського метрополітену.

Особистий внесок автора

Автором визначена мета, ідея і завдання, які вирішуються в роботі, виконані аналітичні дослідження, зроблено узагальнення результатів промислових експериментів, сформульовані наукові положення і висновки.

Автор приймав безпосередню участь у проведенні аналітичних та експериментальних досліджень і впровадженні їх результатів в промислових умовах підземного будівництва об'єктів Київського метрополітену та інших споруд, які будуються корпорацією “Укрмеротунельбуд”. Розробка технічних документів, проведення промислових випробувань та їх впровадження в виробництво були виконані автором при сприянні технічного персоналу корпорації “Укрметротунельбуд”.

Апробація результатів досліджень

Основні положення дисертаційної роботи доповідались та були схвалені науково-технічною громадськістю на міжнародних конференціях: ”Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст” (Дніпропетровськ, 1997; Сімферополь, 1998); “Підземне місто: геотехнологія і архітектура” (Росія, Санкт-Петербург, 1998); “Тунелі і метрополітени” (Бразилія, Сан Пауло, 1998); “Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (Україна, Ялта, 1999).

Окремі розділи роботи обговорювались на кафедрах мости і тунелі Українського транспортного університету (Київ, 1996 -2000 рр.) і тунелі, основи та фундаменти Державного технічного університету залізничного транспорту (Дніпропетровськ, 1996-2000 рр.).

Публікації. Основні положення виконаних досліджень відображені у 10 друкованих роботах, у тому числі: статті у фахових виданнях - 4, патенти та авторські свідоцтва на винаходи - 2.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів та висновків, викладена на 146 сторінках машинописного тексту, містить 34 рисунки, 8 таблиць, перелік використаних джерел з 120 назв, 9 додатків, у яких наведені табличні дані експериментального визначення фізико-механічних властивостей грунтів і подані документи про практичне використання отриманих наукових результатів та їх впровадження у промисловість.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета та завдання досліджень, наведені винесені на захист наукові положення, продемонстровані наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі зроблений критичний аналіз науково-технічної та дослідницької літератури, яка присвячена проблемам розробки технологій проведення та кріплення виробок метрополітенів великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах. Розглянуті вимоги, які потрібно виконувати при їх проведенні.

Тепер набуто великий досвід досліджень в області механіки підземних споруд, розвитку методів розрахунку кріплення та розробки технологій проведення виробок різного призначення, які наведені в роботах Айвазова Ю.М., Баклашова І.В., Бондаренка В.І., Бузила В.І., Буличева М.С., Виноградова В.В., Власова С.Н., Волкова В.П., Гарбера В.А., Глушка В.Т., Голіцинського Д.М., Давидова С.С., Демешка Е.А., Заворицького В.І., Задорожного А.М., Заславського Ю.З., Зоріна А.М., Картозії Б.О., Левіта В.В., Лібермана Ю.М., Маковського Л.В., Максимова О.П., Мельникова Л.Л., Меркина В.Е., Мосткова В.М., Насонова І.Д., Новікової Л.В., Парчевського Л.Я., Покровського М.М., Рахутіна В.С., Роєнка А.М., Усаченка Б.М., Фотієвої Н.Н., Храпова В.Г., Цимбаревича П.М., Шашенка О.М., Щупліка М.М. та інших.

Як і раніше є необхідність проведення досліджень поведінки системи “грунт - тимчасове або постійне кріплення”.

Найменш вивченою, у зв'язку з об'єктивними труднощами, залишається завдання взаємодії та спільного деформування масиву і кріплення. Усе це в значній мірі впливає на розробку високих технологій підземного будівництва тунелів метрополітенів у складних інженерно-геологічних умовах.

Особлива увага в більшості робіт приділена технології проведення та параметрам кріплення виробок.

Аналіз стану питання досліджень в області розробки нових технологій проходки виробок великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах, застосування яких забезпечує збільшення їх стійкості та терміну служби, а також зниження загальних витрат показує, що в сучасних умовах такі питання в належній мірі вивчені недостатньо.

На основі аналізу зроблено висновок, що для більш об'єктивної оцінки можливості застосування тієї чи іншої технології будівництва в глинистих грунтах, необхідно знати їх властивості і характеристики. Показано, що при підвищенні вологості спондилових глин будуть суттєво зменшуватися їх пружні та міцнісні характеристики.

Доведено, що технологія проходки виробок великого перерізу в спондилових глинах повинна включати швидке введення в роботу як постійного так і тимчасового кріплення. Своєчасне його установлення в таких умовах обмежує остаточні деформації на контурі виробки і в склепінні тиску.

Особливу увагу треба приділяти технологіям проведення вертикальних виробок великого перерізу в грунтах, які в стратиграфічній колонці постійно змінюються і мають в своєму складі водонасичені грунти або пливуни. Традиційні технології заморожування стволів та інших виробок на всю глибину потребують великих витрат енергії, матеріалів та коштів.

До цього часу дуже мало праць, у яких науково обгрунтовані та практично доведені методи визначення тиску на кріплення і особливо розрахунку тимчасового кріплення при проходці виробок великого перерізу. У тих випадках, коли постійне кріплення починає функціонувати на невеликій відстані від вибою, при визначенні деформацій вже не можна обмежуватися розв'язуванням осесиметричної задачі, а необхідно розв'язати, хоча б приблизно, задачу просторову (об'ємну).

Таким чином, оптимальне кріплення підземної споруди може бути підібране тільки при достатньо вірному урахуванні змін напруженого стану грунту. При цьому взаємодія кріплення з глинистим середовищем повинна розглядатися при одночасному врахуванні діяння тиску з усіх боків, в тому числі зі сторони вибою і тиску внаслідок виминання порід.

При будівництві перегінних та станційних тунелів треба виконувати умови, які б дозволяли сумісно розробляти грунт та зводити обробку без затримання механізованих прохідницьких комплексів та спорудження монтажних камер. Такі умови потребують розробки нових технологій.

Другий розділ присвячений визначенню деформаційних властивостей грунту в умовах будівництва. При цьому виконане глибоке вивчення мінерало-петрографічного та гранулометричного складу грунтів за допомогою експериментальних методів. Крім того, визначені фізико-механічні властивості грунтів і на цій основі накреслені графіки відносної стисненності та компресійні криві грунтів. Дослідження показали, що визначені графічно характеристики зчіплення та зсуву грунта в повній мірі достатні для розрахунків парметрів тимчасового та посійного кріплення.

Таким чином, одержані експериментальним шляхом показники міцності та деформаційні характеристики виявилися основою для визначення параметрів гірського тиску, реологічних властивостей порід і взаємодії тимчасового та постійного кріплення виробок великого перерізу з деформованим грунтом.

У третьому розділі наведені експериментальні та аналітичні дослідження деформацій глинистих грунтів та розроблені методики визначення гірського тиску на тимчасове кріплення та розрахунку несучої здатності його головних елементів. Показано, що деформації глинистих грунтів та закономірності зміни гірського тиску при проведенні виробок у них вивчені недостатьньо. Це приводить до необхідності удаватися до підвищення запасу міцності кріплення, що обумовлює подорожчання будівництва.

На основі експериментальних досліджень з застосуванням методу центробіжного моделювання встановлено, що при розрахунку діючих зусиль на кріплення необхідно враховувати вагові параметри склепіння тиску та призми зсуву, яка має криві поверхі сковзання.

На основі аналітичних досліджень виявлено, що при порівняно малих напруженнях глинисті грунти мають пружні властивості, при підвищенні напружень-пластично деформуються. Крім того, матеріал грунтового масиву набуває властивості повзучості, тобто в ньому виявляються реологічні деформації.

У масиві, де проходять циліндричну виробку, на деякій відстані від вибою встановлюють постійне кріплення. На час його зведення в роботу в перерізі встигають розвинутися початкові зміщення.

Із врахуванням існуючих реологічних поглядів, експериментальних даних та впливу часу запропоновано величину повного зміщення, при достатньо малому кроці західки в слабких грунтах, визначати такою експоненційною залежністю

, (1)

де час від моменту оголення грунту до моменту введення в роботу постійного кріплення; час релаксації грунту (приймається з експериментальних даних); середня питома вага грунтової товщі від шелиги склепіння до поверхні, кН/м³; H - глибина залягання тунелю, м; радіус виробки, м; Е - модуль деформації грунтів, у яких пройдена виробка, кН/м²; функція, яка враховує вплив довжини незакріпленої дільниці (м) та її діаметру ().

З використанням запропонованої методики були розраховані величини зміщень глинистого грунту у виробках великого перерізу в умовах будівництва Сирецько-Печерської лінії Київського метрополітену, які проходили за допомогою спеціальної технології - суцільний вибій, який закріплюється ярусним кріпленням з двотаврових балок з металевою інвентарною затяжкою і постійною збірною залізобетонною обробкою, яка споруджується без відставання після проходження виробки на одну західку.

Розрахунковим шляхом одержано, що пластичні деформації на незакріпленій постійниим кріпленням дільниці виробки складають 22-45 мм.

Виконані аналітичні дослідження дозволили довести, що при застосуванні розробленої технології, що містить у собі оперативне зведення тимчасового кріплення у вигляді горизонтальних ярусних двотаврових балок з металевими затяжками і постійною збірною залізобетонною обробкою з коротким кроком просування вибою виробки (м), небезпечні деформації практично виключаються.

Аналітичним шляхом також встановлено, що при розрахунках міцності кріплення замість розв'язування плоскої задачі необхідно визначати об'ємні та вагові параметри склепіння тиску і призми зсуву, які можуть бути використані для визначення величин навантажень і напружень, що виникають в основних елементах тимчасового кріплення.

При проведенні виробок великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах суцільним вибоєм важливе значення набуває знання механізму взаємодії кріплення з грунтовим масивом, який визначається його фізико-механічними властивостями, структурою та природним напруженим станом, конструкцією та матеріалом кріплення і, в значній мірі, послідовністю та технологією робіт при проходці виробки та її кріпленні.

Для розробки нових технологій проходки виробок великого перерізу були розглянуті два важливих моменти. По-перше, при проведенні такої виробки суцільним вибоєм необхідно забезпечити його кріплення тимчасовую конструкцією, яка вступає в роботу вельми швидко. По-друге, постійне кріплення в вигляді збірної залізобетонної блочної обробки сприймає гірський тиск у площині поперечного перерізу.

Для визначення параметрів призми зсуву були виконані модельні експерименти за допомогою відцентрового моделювання з геометричним масштабом, який дорівнюється 100. У результаті виконаних експериментів було встановлено, що призма зсуву над моделлю виробки розповсюджується на висоту модельного шару глини. Крім того, був встановлений криволінійний характер поверхні сковзання від серединного діаметру угору. Ці дані дозволили уточнити об'ємні сили, які діють в межах призми зсуву на тимчасове кріплення в вибої виробки.

В основу методики розрахунку стійкості склепіння тиснення та призми зсуву в виробці великого перерізу, яка пройдена в слабких грунтах, покладена умова їх взаємодії з грунтовою призмою в перерізі виробки, яка закріпленна тимчасовим кріпленням (рисунок).

Були знайдені параметри центрів ваги фигур S_1, S₂, S₃ та рівняння кривих, а також прийняті значення h₁ та h₂, які мають такий вигляд

h₁ = m_l z_1, (2)

(3)

h₂ = m_l z₂, (4)

h₂ = B/ 2f, (5)

де В - довжина основи склепіння тиску; - кут внутрішнього тертя грунту; Т_і, N_i - дотичні та нормальні напруження на поверхні зсуву; - допустиме напруження грунту на стиснення; m_l - лінійний масштаб геометричної подібності; z₁- лінійна величина призми зсуву, яка отримана екпериментальним шляхом; z₂ - теж саме для склепіння тиску.

На цій основі була розроблена методика розрахунку несучої здатності тимчасового кріплення. Вирішення одержаних рівнянь рівноваги на основі рівності суми сил та моментів нулю дозволило отримати граничні значення нормальних та дотичних напружень, що виникають у балках системи “масив в об'ємі призми зсуву - тимчасове кріплення”, які наведені в таблиці.

Тимчасове кріплення	Умова міцності по допустимих напруженнях, МПа
	Нормальні	Дотичні
Окрема двотаврова балка № 45	Не виконується 330>200	Виконується 24<120
Дві балки, які з'єднані в жорстку систему	Виконується 115<200	Виконується
Дві двотаврові балки не з'єднані	Виконується 165<200	Виконується
Система з двох парованих балок та двох окремих	Виконується з запасом міцності Кпр > 2,5-5

У розробленій технології взаємодія ґрунтового масиву з тимчасовим кріпленням є первинною і виконує важливу роль у процесі взаємовпливу постійної обробки і тиску розташованої вище товщі ґрунту.

Для розв'язання цієї задачі були виконані аналітичні дослідження з розрахунку найбільш навантаженої системи з двотаврових балок (по дві) у середній частині (приблизно за діаметром перерізу виробки) від горизонтального навантаження призми тиску, розташованої вище грунтової товщі попереду вибою.

Була знайдена максимальна величина прогину балки, яка складає 10-15 мм, що не перевищує значень деформацій повзучості грунтового масиву у вибої виробки великого перерізу, яка споруджується в спондилових глинах.

Для інтенсифікації проходки виробок різного призначення було потрібно розробити нові конструкції залізобетонних збірних обробок та обгрунтувати їх міцністні характеристики. Була розроблена методика їх розрахунку для горизонтальної виробки. В основу розрахунку було покладено розв'язання плоскої контактної задачі теорії пружності для поверхні, яка ослаблена круговим вирізом з одношаровим кільцем кріплення.

Розрахунки збірної залізобетонної обробки з уніфікованих блоків М-61, К-61 і С-61, які розроблені для умов роботи при проходці перегінних тунелів глибокого закладення в спондилових глинах дозволили зробити висновок, що за своїми міцнісними показниками вона є високоефективною конструкцією. Крім того, армування її гумовими елементами по всьому періметру надає високі гідроізоляційні властивості.

Крім того, у цьому розділі наведена методика розрахунку уніфікованої збірної залізобетонної обробки на торцеву та бокову міцність при проходці вертикальних виробок.

Наведені методичні положення розрахунку збірної обробки на міцність при максимальних критичних навантаженнях стиску, які діють при продавленні.

На основі аналізу одержаних залежностей зроблено висновок, що інтенсивність бокового тиску на конструкцію ствола, що продавлюється в грунтовий масив з різнорідними шаровими утвореннями, має кусково-лінійний характер, а максимальні напруги стиснення та моменти вигину в перерізі обробки діють на межах найнижчих водонасичених і сухих грунтів.

У четвертому розділі наведені результати розробки нових технологій спорудження виробок метрополітенів різного призначення, включаючи станційні тунелі, шахтні стволи та техногологія переміщення механізованого прохідницького комплексу КМ-24 крізь раніше споруджений станційний тунель. При розробці технології проведення станційних виробок великого перерізу в спондилових глинах було запропоновано закріпляти вибій багатоярусним тимчасовим кріпленням з двотаврових балок або з анкерно-пневматичних конструкцій. Причому, для них були визначені параметри та розроблена конструкція обладнання для спорудження тимчасового пневмобалонного кріплення при розкритті покрівлі. Нові технології проходки стволів комбінованими способами були розроблені для складних умов багатошарового грунту, який виключає водонасичені піски. При цьому запропановано пройти кільцеву штольню і із неї виконати продавлення конструкцій або вибурити із поверхні свердловини, вийняти грунт, змонтувати спеціальну конструкцію та від неї також виконати продавлення.

Розроблені технології мають наступні переваги: по-перше, виключаються небезпечні деформації поблизу важливих об'єктів, і по-друге, спрощуються технологічні операції при будові постійного кріплення. Крім того збільшується глибина продавлення стволової конструкції.

При будівництві комплексу підземних споруд ділянки метрополітену була використана нова технологія, яка включає підготовку широкого фронту робіт і забезпечує високий рівень сумісництва і концентрації будівництва об'єктів. Одним з основних етапів в реалізації технології є переміщення щитового комплексу по раніш збудованому станційному тунелю. Для цього були обгрунтовані параметри технології та розроблені спеціальні конструкції.

Розроблена технологія дозволила виконати одночасно проходку перегінного та станційного тунелів, підготувати станційний тунель для перегону щитового комплексу та забезпечити більш високу стійкість виробки великого перерізу.

У п'ятому розділі наведені результати розрахунків у техніко-економічної ефективності нових технологій та даних оцінки техногенно-екологічної безпеки при їх застосуванні.

Економічна ефективність визначена за капітальними та експлуатаційними витратами.

Технологія проведення горизонтальних виробок великого перерізу суцільним вибоєм порівнюється з технологією будівництва станційної виробки на дільниці з раніш пройденим пілот-тунелем.

Ефективність технології перегону щитового комплексу крізь раніш пройдений тунель оцінюється за зниженням витрат у порівнянні з традиційним варіантом, який включає спорудження спеціальних камер та інші операції.

При будівництві Сирецько-Печерської лінії Київського метрополітену були застосовані варіанти проходки стволів за нових технологіях, які включають спосіб продавлювання залізобетонної обробки з проміжного горизонту, проходку верхньої частини ствола способом буронабивних паль, використання уніфікованої залізобетонної обробки з гумовим ущільненням. Показано високий рівень техногенно-екологічної безпеки розроблених технологій.

Таким чином, розроблений комплекс нових технологій забезпечує при використанні в умовах будівництва Київського метрополітену значний економічний ефект в сумі 6,7 млн. грн.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішене актуальна науково-технічна завдання, яке полягає в розробці нових технологій спорудження виробок метрополітену, обгрунтуванні їх параметрів та широкому впровадженні в практику для підвищення темпів проведення виробок, а також надійності та ефективності розробленних конструкцій у процесі будівництва та експлуатації.

Основні підсумки і загальні висновки, в яких відбиті головні наукові і практичні результати:

На основі аналізу сучасної науково-технічної інформації зроблено висновок, що при своєчасному встановленні тимчасового та постійного кріплення при прохідці виробок у спондилових глинах на них буде діяти тиск послабленого деформування в об'ємі склепіння тиску та призми зсуву.

Для більш точного розрахунку міцності тимчасового кріплення необхідно розв'язувати об'ємну задачу навантаження та деформування глинистих грунтів в межах склепіння тиску та призми зсуву в передній частині вибою.

Дослідження деформаційних властивостей глинистих грунтів в умовах будівництва базувалися на загальному визначенні мінерало-петрографічного і гранулометричного складу грунтів, та їх фізико-механічних властивостей. Аналіз результатів дослідів показав, що досліджені грунти належать до середньостиснених з коефицієнтом відносного стиснення, що дорівнюється 0,01 см²/кг. Встановлено, що при вертикальному навантаженні у 0,2 МПа відносне стиснення дорівнює 2 см/м, а при 0,8 МПа - 4 см/м.

Одержані дослідним шляхом міцнісні та деформаційні характеристики є основою для визначення параметрів гірського тиску, реологічних властивостей порід при взаємодії тимчасового та постійного кріплення виробок великого перерізу з грунтом, який деформується.

На основі розробленої методики були визначені величини зміщень грунтів у конкретних умовах будівництва при проведенні виробок за спеціальною технологією - суцільний вибій, який закріплений ярусними конструкціями з двотаврових балок. Розрахунковим шляхом одержано, що пластичні деформації на незакріпленій постійним кріпленням ділянці виробки складають 22-45 мм.

Розроблена технологія проведення виробок великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах, за якою ведуть проходку станційніх та іншіх тунелів (блок технологічних приміщень, сіткова тягова підстанція) метрополітену в спондилових глинах суцільним вибоєм. Для утримання грунтового масиву з боку вибою як тимчасове кріплення використовується балочна конструкція з системою елементів, що надає їй жорсткості. Нова технологія дозволяє не допускати розвитку значних деформацій у покрівлі та поверхні вибою і тим самим забезпечити високопродуктивну та безаварійну роботу з проходки виробок великого перерізу.

На основі виконаних аналітичних та експериментальних досліджень за участю автора розроблені новий спосіб і конструкція кріплення вибою, які вміщуть у себе анкерно-пневматичне кріплення. Проведені випробування підтвердили їх працездатність і технологічність.

Розроблена та реалізована технологія переміщення механізованого щитового комплексу КМ-24 по станції та камерам з'їздів дозволила здійснити одночасну проходку перегінного та станційного тунелів, підготувати станційний тунель і камери для переміщення комплексу та забезпечити більш високу стійкість виробки великого перерізу.

Розроблена та впроваджена нова технологія проходки ствола в надзвичайно складних інженерно-геологічних умовах комбінованим способом - з використанням опускного колодязя та продавлення.

Для будівництва ствола поблизу важливих адміністративних об'єктів була розроблена та впроваджена технологія зі застосуванням способів “стіна в грунті” з січних буронабивних паль та продавлення.

Розроблені технології, способи та конструкції широко впроваджені при будівництві станційних тунелів, СТП, БТП та стволів Сірецько-Печерської лінії Київського метрополітену, що дозволило вдвічі скоротити строки будівництва, отримати значний економічний ефект у сумі більше 6,7 млн. грн. і забезпечити високий рівень безпеки.



СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Петренко В.И., Рахутин В.С. Новые технологии проведения выработок метрополитена в слабых породах //Подземное пространство мира. - 1995.- №5.- С. 42-45.

Петренко В.И. Опыт освоения подземного пространства государственной корпорацией “Укрметротоннельстрой” /Сб.науч.тр. НГАУ. - Днепропетровск, 1997.- С. 125-128.

Петренко В.И., Петренко В.Д., Гузченко В.Т. Аналитические предпосылки оценки деформаций при сооружении тоннелей большого сечения /Сб.науч.трудов НГАУ.-Днепропетровск, 1998.- С.90-95.

Петренко В.И. Технология проведения выработок большого сечения в сложных условиях /Сб.науч.тр. НГАУ.- Днепропетровск, 1998.- С. 257-259.

Петренко В.И. Строительство подземных сооружений метрополитена на Украине в сложных горнотехнических и гидрогеологических условиях / Тр. междунар. конф. “Подземный город: Геотехнология и архитектура”.- Санкт-Петербург: Тема, 1998 - С. 308-309.

Petrenko V.I., Rahutin V.S. The new hardware and technological processes at constructions of underground buildings / Proceeding of the World Tunnel Congress' 98 on Tunnels and Metropolises - San Paulo /Brazil/ 25-30 April 1998. - pp. 361-364.

Petrenko V.I. The past, the present and the future of tunneling in Ukraine /Proceeding of the World Tunnel Congress' 99 - Oslo /Norway/ 31 May-3 June 1999.- pp. 743-745.

Петренко В.Д., Петренко В.И. Результаты центробежного моделирования деформирования грунтов при проходке горизонтальной выработки большого сечения //Геотехническая механика. - 2000.- Вып. 22.- С. 69-72.

Пат. України 22106 від 30.04.1998 р. Спосіб тимчасового піддержання капітальних гірничих виробок в зоні активного гірського тиску / В.І.Петренко, В.С.Рахутін, Г.Ф.Калиниченко, С.Н.Ліхман, А.А.Андронов, В.І.Бузило.

Пат. України 22108 від 30.04.1998 р. Пристрій для розробки та кріплення вибою при проходці виробок в слабких породах В.С./Рахутін, В.І.Петренко, Г.Ф.Калиниченко, С.Н.Ліхман, А.А.Андронов, В.І.Бузило.

Особистий внесок здобувача у роботах, які опубліковані у співавторстві:

[1, 6] - розробка принципів нових технологій;

[3, 8] - постановка задачі та оцінка фактичних деформацій;

[9, 10] - вибір та обгрунтування форми вибою та параметрів способу.



АНОТАЦІЇ

Петренко Володимир Іванович. Розробка технологій проходки виробок великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”. Національна гірнича академія України.

Дніпропетровськ, 2000 р.

Дисертація включає результати теоретичних та експериментальних досліджень для розробки нових технологій будівництва виробок великого перерізу в складних інженерно-геологічних умовах.

Визначені фізико-механічні властивості глинистих ґрунтів та зроблена аналітична оцінка їх деформування при проходці станційних та інших виробок.

Розроблена методика розрахунку уніфікованих збірних залізобетонних обробок для горизонтальних та вертикальних виробок.

Розроблені високоефективні нові технології проведення станційних виробок та інших (силова тягова підстанція, блок технічних приміщень) шахтних стволів, що дозволило будувати їх з високою якістю.

Зроблена оцінка техногенно-екологічної безпеки при будівництві нових ліній Київського метрополітену.

Технічні документи (проекти виробництва робіт, паспорти, інструкції та інше) закладені в проекти і широко використані при спорудженні виробок великого перерізу Сірецько-Печерської лінії Київського метрополітену.

Ключові слова: технологія, параметри, слабі глинисті грунти, реологічні властивості, метрополітен, перегінний тунель, станція, ствол.



Петренко Владимир Иванович. Разработка технологии проведения выработок большого поперечного сечения в сложных инженерно-геологических условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04. - “Шахтное и подземное строительство”.- Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2000 г.

Диссертация включает результаты теоретических и экспериментальных исследований для разработки новых технологий строительства выработок большого поперечного сечения в сложных инженерно-геологических условиях.

На основе анализа сделан вывод, что для более объективной оценки возможности применения той или иной технологии строительства в глинистых грунтах, необходимо знать их свойства и характеристики в районах сооружения подземных объектов.

Определены физико-механические свойства глинистых грунтов и выполнена аналитическая оценка их деформирования при проходке станционных и других выработок.

Показано, что полученные экспериментальным путем показатели прочности являются основой для определения параметров горного давления, реологических свойств грунтов и взаимодействия временного крепления выработок большого поперечного сечения с деформированным грунтом.

Разработана методика расчета величин смещений глинистого грунта в выработках большого поперечного сечения, которые проходят с помощью специальной технологии - сплошной забой, закрепленный временным ярусным креплением из двутавровых балок и постоянной сборной железобетонной обделкой.

Установлено, что при расчетах прочности временного крепления вместо решения плоской задачи необходимо определять объемные и весовые параметры призмы сдвижения (давления), которые могут быть использованы для определения величин нагрузок и напряжений, проявляющихся в основных элементах временного крепления.

Расчетным путем определено, что максимальная величина прогиба балки временного крепления составляет 10-15 мм, что не превышает значений деформаций ползучести грунтового массива в забое выработки большого поперечного сечения, которая сооружается в спондиловых глинах.

Разработана методика расчета унифицированных сборных железобетонных обделок для горизонтальных и вертикальных выработок.

Приведены результаты разработки новых технологий проведения выработок метрополитенов различного назначения, которые включают станционные тоннели, шахтные стволы и технология перегона механизированного проходческого комплекса КМ-24 через ранее пройденный станционный тоннель. Технологии строительства шахтных стволов основаны на применении комбинированных способов с использованием продавливания, буронабивных свай и др.

Дана оценка техногенно-экологической безопасности при строительстве новых линий Киевского метрополитена.

Выполнено технико-экономическое обоснование внедрения новых технологий и определена их экономическая эффективность.

На основе выполненных исследований разработаны технологические инструкции, карты, проекты производства работ и др. документы для строительства перегонных и станционных тоннелей, а также стволов, наклонных ходов и др.

Разработаны технологические схемы и технические документы реализованы при строительстве Сырецко-Печерской линии Киевского метрополитена, а также ряда других подземных сооружений, которые построены корпорацией “Укрметротоннельстрой”.

Ключевые слова: технология, параметры, слабые глинистые грунты, реологические свойства, метрополитен, перегонный тоннель, станция, ствол.

Petrenko V.I. Development of technologies of the great cross section workings driving for the complex engineering and geological conditions.

Dissertation on the competition for degree of candidate of Technical Sciences on speciality 05.15.04 “Mining and Underground Construction”. National Mining University of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2000.

The dissertation deals with the results of theoretical and experimental investigations for creation new technologies of underground and tunnel construction.

Clays behaviuor at runnings and stations tunnels has been carried out.

High effective new technologies, i. e. the driving of station tunnel of great cross section and sinking shaft under difficult geological conditions have been considered.

Calculation methods of unified precast steel-concrete lining for horisontal and vertical workings have been done. Estimation of technogenious and ecological safety in the process of Kiev Underground lines engineering has been given.

The created and carried out technologies give the opportunity of driving and tunneling undergrounds of high quality and efficiency. Recommendations for definition of construction parameters and technological properties taking into account engineering and geological complex conditions have been worked out and put into practice.

Key words: technology, parameters, soft clayey soils, rheological properties, elastic - plasticity problem, underground, running tunnel, station, shaft.

Размещено на Allbest.ru

...