Анализ влияния технологических факторов на деформации земной поверхности при сооружении тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов с активным пригрузом забоя в мелкодисперсных грунтах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Никоноров Роман Николаевич

• Никоноров Роман Николаевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Никоноров Роман Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ

1.1. Технология проходки тоннелепроходческими механизированными комплексами. Механизмы поддержки забоя

1.2. Методы расчета деформаций грунтового массива при щитовой проходке, история исследования проблемы

1.3. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ НА ГРУНТОВЫЙ МАССИВ В МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ

2.1. Применение метода конечных элементов для оценки деформаций земной поверхности при строительстве тоннелей с использованием ТПМК. Выбор программы для численных расчетов

2.2. Описание пространственной модели «ТПМК/обделка - грунтовый массив»

2.3. Обеспечение устойчивости забоя при численном моделировании щитовой проходки с применением ТПМК

2.4. Планирование эксперимента

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ В МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННЫХ РАСЧЕТОВ

3.1. Результаты расчетов численного моделирования

3.2. Сопоставительный анализ влияния рассматриваемых факторов

3.3. Изучение вида функции выходных параметров

3.4. Методика определения зон влияния, интенсивных деформаций и расчета максимальной осадки земной поверхности при щитовой проходке с применением ТПМК в мелкодисперсных грунтах

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ЗДАНИЙ С ПРОГНОЗИРУЕМЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ ПО

ПОЛУЧЕННЫМ ЗАВИСИМОСТЯМ И ПО РАЗРАБОТАННЫМ РАНЕЕ МЕТОДИКАМ В АНАЛОГИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

4.1. Анализ имеющихся данных натурных наблюдений за осадками объектов мониторинга

4.2. Сопоставление данных натурных наблюдений с прогнозируемыми значениями расчетов по различным методикам

4.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования:

В последние десятилетия активное развитие промышленной и гражданской инфраструктуры крупных городов неизменно приводит к вопросам освоения подземного пространства. Все чаще рассматриваются варианты возведения промышленных и гражданских объектов ниже отметки земли с использованием современных тоннелепроходческих механизированных комплексов (далее ТПМК). Ключевым при строительстве подземных сооружений в условиях плотной городской застройки выявляет является обеспечение сохранности зданий и сооружений, находящихся в зоне влияния строительства. В результате геотехнического прогноза подземного строительства определяются, в том числе размеры зоны влияния и зоны интенсивных деформаций, максимальной осадки земной поверхности. При тоннелировании дополнительно следует оценивать расстояние распространения деформаций перед забоем для выявления момента начала деформаций оснований зданий и сооружений, располагающихся по трассе тоннеля, а следовательно, начала выполнения наблюдений за их осадками и техническим состоянием.

Имеющиеся методики оценки деформаций земной поверхности в процессе проходки ТПМК не в полной мере отображают степень влияния технологических параметров тоннелепроходческих комплексов, широко используемых в настоящее время. Существующие зависимости, в том числе отраженные в нормах, базируются на взаимосвязи параметров деформирования земной поверхности от условий заложения тоннелей. При этом, условия заложения и технология возведения тоннелей не учитываются, а имеющиеся исследования, рассматривающие вопросы определения деформаций земной поверхности на расстоянии от тоннеля, не предлагают прямых зависимостей определения размеров зоны влияния, зоны интенсивных деформаций и расстояния распространения деформаций перед забоем. Также они не учитывают такие параметры проходки, как действие активного пригруза забоя, конвергенцию защитового пространства,

обусловленного конусностью щита и ширину заобделочного строительного зазора, заполняемого тампонажным раствором при сходе оболочки щита с обделки, оказывающие определяющее влияние на напряжено-деформированное состояние массива грунта.

Таким образом, разработка новых методов определения параметров деформирования земной поверхности и грунтового массива при строительстве с учетом современных технологий щитовой проходки с использованием ТПМК является актуальной задачей в области подземного строительства.

Степень разработанности темы исследований

Изучением степени влияния проходки тоннелей с применением механизированных щитов на земную поверхность и здания и сооружения окружающей застройки занимались такие отечественные ученые, как Лиманов Ю.А. [75], Ильичев В.А. [61], Тер-Мартиросян З.Г. [119, 120], Зерцалов М.Г. [60], Чеботаев В.В.[131,132], Щекудов Е.В.[132], Меркин В.Е. [83, 52], Мазеин С.В. [78, 79], Шарафутдинов Р.Ф. [136, 137], Речицкий В.В. [102], Скворцов А.А. [111], Панфилов Д.В. [91], Знаменская Е.А. [59], Рудь В.В. [103] и др. Среди зарубежных исследователей широко известны работы Peck R.B. [35], Attewel P.B. [5, 6, 7, 8], O'Reilly M.P. [21, 29, 32], New B.M. [29, 32], Loganathan N. [18], Möller S.C. [28], Oteo C.S. [33], Sagaseta C [33] и др. Исследования перечисленных ученых освещают вопросы влияния различных факторов на осадку земной поверхности, распространение зон влияния производства работ и составления различных методов определения ожидаемых деформаций различными способами (аналитическими, эмпирическими, численными).

Отметим, что при всем многообразии результатов исследований, примеры их использования в методологических целях для получения обобщающих зависимостей встречаются редко, а имеющиеся исследования механизмов формирования деформаций грунтового массива не в полной мере учитывают технологические параметры этапов проходки с применением современных ТПМК. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости получения обобщенных

зависимостей оценки основных характеристик деформирования дневной поверхности при одновременном учете факторов, обусловленных условиями заложения, глубиной и габаритами проектируемых тоннелей и технологическими особенностями проходки для их использования на ранних стадиях проектирования. Цель работы:

Повышение достоверности и надежности прогноза параметров деформирования земной поверхности при щитовой проходке тоннелей с применением современных ТПМК в дисперсных грунтах с учетом факторов, обусловленных условиями проходки и особенностями технологических операций при возведении тоннелей. Задачи исследований:

• Выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на размер зон деформации земной поверхности (влияния, интенсивных деформаций и расстояния распространений перед забоем) и максимальную осадку земной поверхности (диаметр щита ТПМК, глубина проходки тоннеля, физико-механические характеристики вмещающего грунтового массива, конусность щита, ширина строительного зазора, заполняемого тампонажным раствором);

• Разработка принципов построения математических моделей проходки тоннелей с применением ТПМК, позволяющих учесть изменение НДС грунтового массива при ведении щита;

• Получение уравнений регрессии, описывающих размеры зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальную осадку земной поверхности для различных условий проходки тоннелей. Разработка методики определения размеров зоны влияния и зоны интенсивных деформаций с расчетом максимальных расчетных деформаций земной поверхности при щитовой проходке с применением ТПМК;

• Выполнение сравнительного анализа данных натурных наблюдений за деформациями при проходке тоннелей с применением ТПМК с результатами, полученными по предложенным регрессионным зависимостям

Научная новизна работы:

1. Разработана методика прогноза размеров зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальных осадок земной поверхности, учитывающая условия заложения и особенности технологических операций процесса проходки тоннелей с применением ТПМК с активным пригрузом забоя в мелкодисперсных грунтах.

2. Предложен принцип учета действия активного пригруза забоя в математической модели щитовой проходки с применением ТПМК путём ввода в расчетную модель вспомогательных элементов виртуальной перегородки забоя конечной жесткости, оказывающих сопротивление горному давлению грунтового массива забоя эквивалентное активному давлению пригруза;

Теоретическая и практическая значимость:

1. Изложены принципы построения математических моделей проходки тоннелей с применением ТПМК, учитывающие изменение НДС грунтового массива при ведении щита: в забое путем ввода в модель вспомогательной виртуальной перегородки, заменяющей действие активного пригруза забоя, конвергенцию защитового пространства (на корпусе ТПМК) при перемещении щита и заполнение заобделочного пространства тампонажным раствором, позволяющие на этапе проектирования получить прогнозные деформации зданий, сооружений и инженерных коммуникаций окружающей застройки;

2. Выявлены статистически значимые параметры, оказывающие наибольшее влияние на максимальную осадку земной поверхности, размеры зоны влияния и зоны интенсивных деформаций, а также на значения расстояния распространения деформаций перед забоем

3. Составлены уравнения множественной регрессии, обеспечивающие получение значений предварительной зоны влияния, предварительной зоны интенсивных деформаций и предварительных значений максимальных осадок земной поверхности при проходке тоннелей разных диаметров в мелкодисперсных грунтах в зависимости от конструктивно-технологических факторов проходки;

4. Представлены методические рекомендации для оценки необходимости выполнения мероприятий для обеспечения сохранности и безопасной эксплуатации зданий и сооружений в зоне влияния проходки тоннелей в мелкодисперсных грунтах.

5. Получена зависимость размеров зоны распространения деформаций перед забоем, позволяющая определять сроки начала наблюдений за осадками окружающей застройки в зависимости от приближения ТПМК к объектам наблюдения.

Методология и методы исследования

При выполнении исследования использовалась комбинация численного моделирования изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива при щитовой проходке тоннелей с использованием ТПМК в мелкодисперсных грунтах и метода планирования эксперимента. Для выявления качественной и количественной взаимосвязи между различными входными и выходными параметрами применялись статистические методы анализа и обобщения полученных результатов численных экспериментов. В результате анализа разработаны уравнения регрессии, которые описывают зависимость откликов от независимых входных параметров. На основе полученных уравнений регрессии разработана методика определения зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и расчета максимальной осадки земной поверхности при щитовой проходке с применением ТПМК.

Значения, получаемые по уравнениям регрессии, сравнивались с результатами натурных наблюдений за деформациями геодезических марок, в аналогичных условиях. Также выполнялся сравнительный анализ получаемых значений с результатами расчетов деформаций по ранее разработанным методикам.

Личный вклад автора

• Анализ научно-технических источников по теме исследования.

• Обоснование методов решения поставленных задач.

• Разработка матрицы планирования эксперимента для выполнения численных экспериментов с использованием метода конечных элементов.

• Разработка принципов построения математических моделей геомеханической системы «ТПМК/обделка - грунтовый массив», получение результатов экспериментов, составленных в соответствии с планом.

• Анализ результатов численного эксперимента, статистическое определение наиболее значимых факторов, оказывающих влияние на функции отклика.

• Составление уравнений множественной регрессии с использованием наиболее значимых факторов.

• Разработка методики определения размеров зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальной расчетной осадки земной поверхности при проходке тоннелей в мелкодисперсных грунтах с применением ТПМК.

• Сравнительный анализ результатов натурных наблюдений за деформациями при щитовой проходке со значениями, полученными по составленным уравнениям регрессии и по существующим, ранее разработанным, методикам.

Положения, выносимые на защиту:

Результаты статистического анализа проведенного эксперимента и оценки статистической значимости входных параметров.

Составленные по итогам анализа уравнения множественной регрессии для определения размеров зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальной расчетной осадки земной поверхности.

Разработанный принцип составления математической модели системы «ТПМК/обделка - грунтовый массив», учитывающей технологические параметры производства работ по проходке тоннелей с использованием ТПМК с активным пригрузом забоя.

Методика определения размера зоны влияния, размера зоны интенсивных деформаций и расчета максимальной осадки земной поверхности при щитовой проходке с применением ТПМК в мелкодисперсных грунтах.

Достоверность результатов исследования обоснована:

• применением математических моделей, отражающих поведение грунтового массива с учетом его взаимодействия с оболочкой тоннелепроходческого щита, конструкцией обделки тоннеля и окружающим грунтовым массивом.

• применением метода планирования эксперимента, позволяющим установить необходимый алгоритм и объем исследований.

• применением методов статистического анализа для определения закономерностей и поиска статистически значимых факторов на основе результатов, полученных в ходе выполнения эксперимента

• учетом при проведении исследований отечественного и зарубежного опыта и данных нормативной и специальной технической литературы в области проводимого исследования.

• сравнительным анализом значений, получаемых по составленным уравнениям регрессии, с результатами натурных наблюдений за деформациями зданий и сооружений и со значениями, получаемыми по ранее разработанным методикам.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ влияния технологических факторов на деформации земной поверхности при сооружении тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов с активным пригрузом забоя в мелкодисперсных грунтах»

Апробация работы

Результаты исследования были представлены на научных конференциях:

1. XXVI International Scientific Conference in Advanced In Civil Engineering «Construction the formation of living environment». «Face support pressure impact on the surface deformation during TBM tunneling». 26-28 апреля 2023 года. Ташкент, Узбекистан.

2. Российско-Китайский семинар по тематике «Строительство и реконструкция тоннелей». Тема доклада: «Зависимость осадок земной поверхности

от качества заполнения заобделочного пространства при проходке тоннелей с применением ТПМК». 23-24 мая 2023 года, НИУ МГСУ, Москва.

3. Китайско-Российский форум молодых ученых в области геотехники и подземного строительства. Тема доклада: «Учет пригруза лба забоя при расчете влияния щитовой проходки в дисперсных грунтах на осадку земной поверхности». 21 ноября 2023 года. Северо-Восточный университет, г. Шеньян, КНР.

4. Third Sino-Russian Forum of Young scientists in the sphere of geotechnics and underground construction. «Estimating the possibility of replacing the active face support with shell elements during numerical modeling of a shield tunneling operation». 19-22 сентября 2024 года. Северо-Восточный университет, г. Шеньян, КНР.

5. V международная научно-практическая конференция «Проектирование, строительство и эксплуатация мостов, тоннелей и метрополитенов» - чтения, посвященные памяти Лавра Дмитриевича Проскурякова». Тема доклада: «Оценка возможности замены активного пригруза забоя на стальную перегородку при численном моделировании щитовой проходки». 24-25 октября 2024 года, РУТ МИИТ, Москва.

6. Научно-практическая конференция «Применение прогрессивных технологий в подземном строительстве 2025». Тема доклада: «Оценка деформаций земной поверхности при сооружении тоннелей с использованием ТПМК в мелкодисперсных грунтах». 17-18 июня 2025 г., ООО «Тоннельная ассоциация России», Москва.

7. Научно-техническая конференция «Освоение подземного пространства мегаполисов и транспортные тоннели - 2025». Тема доклада: «Оценка деформаций земной поверхности при сооружении тоннелей с использованием ТПМК в мелкодисперсных грунтах». 12-13 ноября 2025 г., ООО «Тоннельная ассоциация России», Москва.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 147 страниц, 42 рисунка, 21 таблицу. Список литературы содержит 147 наименований, в том числе иностранных.

Диссертация выполнена на кафедре механики грунтов и геотехники (МГГ) в НИУ МГСУ под руководством доцента, кандидата технических наук, В.Е. Русанова, которому автор выражает искреннюю благодарность за внимание, большую помощь и поддержку, оказанные при подготовке данной работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ

ТОННЕЛЕЙ

1.1. Технология проходки тоннелепроходческими механизированными комплексами. Механизмы поддержки забоя

Тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК) или проходческий щит включает в себя комплект, выполняющих во взаимодействии друг с другом все технологические операции, механизмов и устройств. При движении ТПМК выполняются такие операции как разработка грунта, крепление забоя, удаление грунта из зоны разработки, возведение обделки, нагнетанием тампонажного раствора в заобделочное пространство.

В настоящее время проходческие щиты с полной выемкой грунта забоя можно разделить на пять категорий по типу механизмов поддержки забоя [44]:

1. С открытым забоем (без крепления лба забоя);

2. С механической крепью забоя (роторного типа без активного пригруза забоя);

3. С воздушным пригрузом забоя;

4. С суспензионным пригрузом забоя (с гидропригрузом, микс-щиты);

5. С грунтопригрузом забоя.

Наибольшее распространение получили проходческие щиты с грунтопригрузом и суспензионным пригрузом забоя. Щиты с открытым забоем (без крепления лба)

Щитовые машины без крепления лба забоя или открытые щиты характеризуются наличием призабойной камеры, которая находится в условиях атмосферного давления. Лоб забоя в этом случае открыт и не перекрывается ротором. Разработка грунта в забое ведется, как правило, с помощью ковшовых механизмов. Количество разработанного грунта находится в соответствии с грунтом, выгружаемым из призабойной камеры. Такие проходческие щиты возможно использовать в благоприятных инженерно-геологических условиях в

устойчивых необводненных грунтах, для которых характерно формирование устойчивого забоя, не требующего крепления.

Щитовые машины с механической крепью забоя

При проходке тоннелей исторически использовались щитовые машины с механической крепью забоя. Данный тип ТПМК в междунаробной практике на данный момент используется редко.

Щитовые машины с воздушным пригрузом

ТПМК с данным типом пригруза забоя могут использоваться только в случае необходимости противодействия давлению грунтовых вод. В этом случае забой тоннеля должен быть устойчивым по отношению к эффективным напряжениям. При регулярных земляных работах за последние два десятилетия щиты с воздушным пригрузом стали редкостью при проходке в слабых грунтах. Однако, ТПМК с гидропригрузом и грунтопригрузом по-прежнему оснащены дополнительными системами поддержки забоя сжатым воздухом для обеспечения гипербарических вмешательств в забой тоннеля во время простоев.

Щитовые машины с суспензионным пригрузом (с гидропригрузом).

Призабойная камера (камера выемки грунта) и рабочая камера (задняя камера) машины с гидропригрузом (рис. 1.1) заполнена суспензией. Суспензия представляет собой взвешенные в воды частицы бентонита. Призабойная камера отделена от рабочей камеры герметичной диафрагмы. Поток между двумя камерами обеспечивается отверстием в нижней части погруженной стенки. Призабойная камера полностью заполнена бентонитовой суспензией, в то время как уровень суспензии в рабочей камере регулируется таким образом, чтобы он был немного выше оси машины. Давление пригруза в призабойной камере контролируется путем регулирования давления резервуара сжатого воздуха (также называемого воздушной подушкой или воздушным пузырем) в камере высокого давления. Колебания объема в камере могут быть легко компенсированы без существенного изменения давления пригруза забоя. Разработанный грунт перемешивается с суспензией и перекачивается через всасывающий патрубок и выпускную трубу для шлама в сепарационную установку на земной поверхности.

Свежая или регенерированная суспензия непрерывно подается в призабойную камеру по трубе подачи суспензии. Кроме того, машина оснащена просеивающей решеткой и камнедробилкой перед всасывающим патрубком, чтобы уменьшить размер частиц грунта для гидравлической транспортировки по выпускной трубе суспензии.

■ 1. Роторное кольцо

щ 2. Перегородка призабойной камеры

■ 3. Воздушная подушка

■ 4. Полупогружная перегородка

■ 5. Выпускная труба суспензии

■ 6. Камнедробилка

■ 7. Труба подачи суспензии

Рисунок 1.1. Щит с суспензионным пригрузом (гидропригрузом) Типичный диапазон применения щитов с гидропригрузом показан в области А (рис. 1.2). Частицы в этом диапазоне достаточно малы, чтобы обеспечить эффективную поддержку поверхности бентонитовой суспензией, но достаточно велики, чтобы обеспечить простое отделение разрушенной породы. В области В, которая состоит из мелкозернистых грунтов и глин, отделение частиц усложняется, и может привести к засорению. Зона С состоит из крупнозернистого гравия. Эти типы гравия, особенно однородный гравий, обладают чрезвычайно высокой проницаемостью. Здесь даже высококонцентрированная бентонитовая суспензия может проникать в грунт без стабилизации, что делает данный механизм поддержки забоя неэффективным. В этом случае в бентонитовую суспензию следует добавлять наполнители, чтобы заполнить более крупные поры грунта.

Рисунок 1.2. Области применения щитов с суспензионным пригрузом (гидропригрузом)

Щиты с грунтопригрузом забоя

Щиты с грунтопригрузом забоя (ЕРВ) (рис. 1.3) используют разработанный грунт для обеспечения поддержки лба. Грунт разрабатывается режущим исполнительным органом и поступает в призабойную камеру. Поток объема поступающего грунта можно регулировать с помощью скорости разработки грунта щитовой машиной. Давление пригруза регулируется вытяжным потоком шнекового конвейера и, кроме того, впрыском пены для кондиционирования грунта. Отвал внутри призабойной камеры должен обладать определенными свойствами, чтобы обеспечить эффективную поддержку забоя. Свойства отвала можно регулировать путем смешивания с подходящими добавками, такими как пена.

Рисунок 1.3. Щит с грунтопригрузом

Основная область применения щитов с грунтопригрузом (ЕРВ) - это мелкодисперсный грунт. Отвал в этом случае может быть кондиционирован только водой (зона 1, рис. 1.4). Пену необходимо вводить в качестве кондиционирующего агента в том случае, если производится разработка грунта с более крупными частицами (зона 2, рис. 1.4). Более расширенный диапазон применения щитов с грунтопригрузом применителен к грунтам с более крупными частицами. В зонах 3 и 4 (рис. 1.4) в призабойную камеру необходимо добавлять полимеры и пену для обеспечения требуемых свойств материала.

Рисунок 1.4. Области применения щитов с грунтопригрузом

Щит с грунтопригрузом может работать непосредственно в закрытом режиме и в двух дополнительных режимах - открытом и переходном, в зависимости от ожидаемой устойчивости забоя тоннеля

• Открытый режим - призабойная камера почти пуста во время разработки грунта в открытом режиме. Таким образом, лоб забоя не поддерживается. Выемка может выполняться в открытом режиме, если состояние грунта обеспечивает полностью стабильный забой лба тоннеля, а возможный приток грунтовых вод к забою или в призабойную камеру не вызывает никаких гидрогеологических или эксплуатационных проблем.

• Переходный режим - основная особенность переходного режима заключается в том, что щит с грунтопригрузом работает с закрытой, но только частично заполненной призабойной камерой. Отвал в призабойной камере может находиться под давлением сжатого воздуха, что помогает уменьшить или избежать притока грунтовых вод в призабойную камеру. Этот режим применим в случаях со стабильным лбом забоя тоннеля и низким риском чрезмерной выемки грунта из забоя. Основной целью переходного режима является контроль притока грунтовых вод через забой тоннеля. Возможна быстрая смена этого режима работы на закрытый режим.

• Закрытый режим - призабойная камера полностью заполнена вынутым грунтом и находится под давлением. Приложенное давление уравновешивает действующее давление грунта и грунтовых вод. Этот режим работы необходим в неустойчивых слабых грунтах ниже уровня грунтовых вод. Кроме того, неконтролируемый водоприток во время земляных работ, когда может быть предотвращен давление пригруза достаточно велико. Методы расчета давления пригруза, представленные в этом документе, предназначены специально для закрытого режима

1.2. Методы расчета деформаций грунтового массива при щитовой проходке, история исследования проблемы

Активный рост крупных городов в настоящее время требует своевременного развития городской инфраструктуры. Наряду со строительством наземных зданий и сооружений, широко распространено производство работ по возведению подземных сооружений. В числе которых можно отметить такие сооружения, как коммуникационные тоннели, подземные, станции и тоннели метрополитена, автодорожные тоннели, пересадочные узлы и другие сооружения промышленного и гражданского назначения.

Высокая скорость строительства тоннелей обусловлена, помимо прочего, совершенствованием технологии проходки и применением ТПМК. Проектирование перегонных тоннелей метрополитена предполагает, как выполнение полного комплекса расчетов конструктивной надежности на стадии эксплуатации, так и определение условий безопасности процесса производства работ. Учитывая тот факт, что проходка перегонных тоннелей в основном осуществляется на застроенных городских территориях, помимо безопасных условий производства проходческих работ, значимым аспектом является обеспечение сохранности и безопасной эксплуатации зданий и сооружений окружающей застройки.

Учитывая то, что возведение подземных сооружений сопровождается деформациями грунтового массива и земной поверхности, основным негативным фактором для зданий и сооружений окружающей застройки является развитие дополнительных осадок, которые приводят к изменению напряженного состояния и внутренних усилий в элементах конструкций зданий. Таким образом, прогноз деформаций земной поверхности, оснований зданий и сооружений является одним из важнейших вопросов проектирования и строительства подземных сооружений.

История исследования проблемы

Активная разработка угольных и других месторождений в заселенных районах Англии и Германии в XIX веке послужила стимулом к становлению науки о деформации горных пород. Различные исследования, связанные с необходимостью

определения возможных смещений массива горных пород, позволили найти некоторые зависимости для расчета осадок земной поверхности, возникающих при разработке.

Формула оценки деформаций поверхности в результате исследований способов освоения месторождений появляется в конце XIX века в районе г. Эссен (Германия). Выявленная зависимость определяется линейной взаимосвязью осадки от способа разработки (обрушением кровли или с заполнением выработки) а и от времени с момента завершения работ

52 = а • М • t (1.1)

Указанная зависимость базировалась на одной из самых ранних формул оценки возможных осадок, представленной в литературе. Уравнение, упомянутое в монографии Кратча Г. [2], позволяющее спрогнозировать вертикальные деформации поверхности над осью угольной выработки при условии обрушения кровли, предполагающее эквивалентность осадок земной поверхности мощности разрабатываемых горизонтально расположенных пластов грунта имело вид:

= (1.2) где М - вынимаемая мощность пласта, а - угол падения породных слоев. Последующие исследования привели к обнаружению корреляции между образованием воронок оседания на поверхности и объемом изъятого из массива горной породы [14] с одновременной поправкой на различные глубины расположения выработки и изменение объема деформированных грунтов путем введения дополнительных коэффициентов.

Метод оценки вертикальных смещений земной поверхности, который более точно отражает современное восприятие - «метод оценки оседаний при помощи палетки» появился только после выявления корреляции значений деформаций и расположения наблюдаемой точки относительно выработки.

Теория, изначально предполагаемая опускание в разработанное пространство выработки всей, расположенной выше, толщи горных пород [15], со временем была модифицирована в соответствии с обновленными результатами исследований,

свидетельствующими об отсутствии постоянства возникновения сквозных поверхностей скольжения и разрыва горной породы. Дальнейшим развитием теории освещен процесс формирования мульды сдвижения поверхности грунтового массива по форме образования геосинклинали. Иными словами, в средней части слоя горной породы, представленной прогибающейся плитой, возникают деформации сжатия в то время, как на концах плиты определяются деформации растяжения.

Анализ проводимых в районах горной промышленности наблюдений установили соответствие эмпирических данных теоретическим представлениям (рис. 1.5).

1 - максимальное растяжение, 2 - наблюдательная линия, 3 - трещина, 4 - максимальное оседание, 5 - максимальное сжатие, 6 - породы покрывающей толщи, 7 - угленосные породы, 8 - очистная выработка, а — угол наклона очистной выработки, Р - угол разрыва, у

- граничный угол

Рисунок 1.5. Разрез мульды оседания над очистной выработкой При дальнейшем пополнении базы данных по наблюдениям в середине XX века удалось выявить закономерности и развить существующие методы расчета для определения горизонтальных смещений [11], осадок при наклонном и крутом залегании горных пород [37] и деформаций грунтового массива на промежуточных стадиях развития процессов изменения напряженно-деформированного состояния.

Развитию учения о сдвижении пород над выработками способствовали работы отечественных исследователей начала-середины XX века. Исследования Бахурина И. М. [48], Авершина С. Г. [45, 46], Леонтьевского П. М. [73] позволили получить научное обоснование фаз развития деформационных процессов горных пород при освоении угольных месторождений. Немаловажным результатом их работ явился факт прогнозирования характера и величин деформаций грунтового массива и поверхности земли с использованием законов теории пластичности

В дальнейшем, в связи с ростом темпов строительства подземных сооружений, во второй половине прошлого века, исследования возможных закономерностей процессов деформирования земной поверхности обрели дополнительную практическую значимость. Результаты работ, часть положений которых актуальны и по сей день, таких авторов, как Терцаги К. [40, 121], Скемптон А. [39], Лиманов Ю. А. [75] и других, описывают теоретические основы этапов формирования деформаций и прогнозирования осадок зданий, расположенных в зоне влияния.

Современное состояние вопроса

Нельзя не отметить существенный вклад многих отечественных и зарубежных ученых: Ержанов Ж.С [58], Ильичев В.А. [61], Иофис М.А. [62, 63], Клепиков С.Н [65,66], Кузнецов Г.Н. [70, 71], Лапидус Л.С. [72], Маковский Л.В. [80, 81], Муллер Р.А. [84, 85, 86, 87], Петухов И.А. [87, 92], Сашурин А.Д. [108], Тер-Мартиросян З.Г. [119, 120], Улицкий В.М. [122], Фадеев А.Б. [123, 124, 125], Чеботаев В.В.[131, 132], Щекудов Е.В.[132], Черный Г.И. [133, 134], Шегенова Ж.Б. [138], Шейнин В.И. [139], Юфин С.А. [142, 143, 144], Юшин А.И. [145], Яровой Ю.И. [146,147], Зерцалов М.Г. [60], Меркин В.Е. [52, 83], Мазеин С.В. [78, 79], Шарафутдинов Р.Ф. [136, 137], Речицкий В.В. [102], Скворцов А.А. [111], Панфилов Д.В. [91], Знаменская Е.А. [60], Рудь В.В. [103] Burland J.B. [10], Wittke W. [42], Kratch G. [68], Mair R.J. [20, 21, 19], Peck R.B. [35], Fujita K. [13] и др., в последующее изучение темы деформационных процессов грунтового массива при строительстве тоннелей.

В работах Меркина В.Е. [52, 83], Дормана И.Я. [57, 94], Фотиевой Н.Н. [126, 127] и других авторов рассмотрены тенденции развития тоннелестроения,

надежности и технологии сооружения тоннелей, сейсмичности подземных сооружений и тоннелей.

Проведенные исследования отечественных ученых и специалистов были использованы при разработке отдельных разделов действующих нормативных документов [101, 112, 113, 114, 115]. Накопленные опыт возведения подземных сооружений и результаты наблюдений за земной поверхностью легли в основу формирования нормативной базы, определяющей предельные дополнительные значения деформаций зданий и сооружений.

Сформированные основные направления методологии исследования деформационных процессов грунтового массива и земной поверхности можно представить в трех основных блоках [147]:

1) эмпирические методы, которые предполагают сбор и обработку данных наблюдений для выявления основных закономерностей;

2) аналитические методы, заключающиеся в решении краевых задач механики грунтов и горных пород;

3) численные методы, базирующиеся на использовании положений механики сплошных сред и современных возможностей вычислительной техники.

Помимо указанных методов, необходимо отметить выполненные исследования на физических моделях, например таких, как метод моделирования с помощью эквивалентных материалов. Большая заслуга в развитии таких исследований в России принадлежит профессору Кузнецову Г.Н. [70, 71]. Однако, в силу их большой трудоемкости и интенсивного развития численных методов исследования в настоящее время, методы исследования на физических моделях применяются достаточно редко. 1.2.1. Эмпирические методы

Один из первых эмпирических методов был разработан в Великобритании на основе обработки результатов многочисленных наблюдений. Кривая осадки земной поверхности, описываемая номограммами, позволяла на основе данных инженерно-геологических изысканий найти свойственные для конкретных подземных выработок точки профиля деформирования. Данный метод получил

название «метода типовых кривых». Методы типовых кривых также были реализованы и в других странах: ПНР, ФРГ и СССР.

В Федеративной Республике Германия применялся «метод секущих углов», который представляет собой графическое определение положения центра мульды осадок и характерных точек ее профиля с использованием «секущих углов», определенных по результатам статистического анализа данных наблюдений.

Такие эмпирические методы как метода Бальса (1932 г.), метод Байера (1944 г.), метод Занна (1949 г.) и метод Эрхарда-Зауэра (1961 г.) были разработаны на базе графического метода оценки деформаций при помощи «палетки». Интеграционная сетка строилась на основе результатов анализа данных измерений осадки при разработке угольных месторождений горизонтального напластования.

Методика, разработанная отечественным ученым Авершиным С. Г. (1947 г.) [46], описывает кривую оседания земной поверхности как симметричную относительно точки перегиба, что выражается следующей формулой:

Ф) =Ло^ = Ло^1-^)4'55 • е2'13 (1.3)

Осадка поверхности в точке, удаленной на расстояние х от центра выработки, ^(х) зависит от значений максимальной осадка поверхности ; с использованием выражения единичной кривой ц и абсциссы точки перегиба кривой оседания /.

При этом зависимость деформаций в горизонтальном направлении ^ при пологом залегании разрабатываемого полезного ископаемого предложенная Авершиным С. Г. имела вид:

дл

где к - эмпирически вычисленный по данным измерений постоянный коэффициент.

Последующее развитие данного метода описанное в исследованиях Медянцева А. Н. [82], Долгих М. В. [55] и Колбенкова С. П. [67], также отражено в руководствах

[90, 94, 96, 100, 104, 105], правилах охраны труда [95, 98, 97] и других работах, включая ВТУ-01-58 [53].

Среди работ отечественных ученых к эмпирическим исследованиям могут быть также отнесены труды Иофиса М. А. [62] и Муллера Р. А. [86] наряду с работами Юдовича Э. З., А.А. Гладкова [140], Цимбаревича П. М. [130] и др. исследователей, занимавшихся разработкой методик определения осадок земной поверхности при строительстве первой очереди Московского метрополитена. Необходимость в этих методиках была обусловлена появлением в крупных городах подземной транспортной системы, а для решения задач прогнозирования деформаций окружающей застройки применялись методы, используемые в горной промышленности.

Работы Конте С. (1953 г.) и, позже, Ершова И. М. (1958 г.), ставшие очередным шагом исследования деформационных процессов грунтового массива, описали единичную функцию влияния через Функцию Гаусса, использованную в последующем Будриком В. [50], Мартошем Д, Кохманьским Т. и др. [49] в своих исследованиях.

С целью применения в отечественном тоннелестроении, Демешко Е.А. и Ходош В.А. [55] исследовали данные измерений, полученные при проходке тоннелей в Москве. Результатом математической обработки эмпирических данных явился метод прогнозирования осадки дневной поверхности земли при проходке тоннелей с применением щитов в неустойчивых грунтах.

В своих исследованиях авторы руководствовались тем, что на момент завершения процесса деформации земной поверхности после проходки тоннелей объем мульды оседания равен или меньше суммарного объема строительного зазора и перебранного через забой грунта при разработке. Выводы, которые получили ученые в процессе исследования, позволили определить различные группы источников деформаций:

Группа 1. инженерно-геологические условия проходки;

Группа 2. геометрические размеры щита, включая толщину хвостовой оболочки и величину строительного зазора;

Группа 3. особенности тоннельной проходки: глубина заложения, характер заполнения заобделочного пространства, способы разработки грунта. Осадка центра мульды сдвижения определяется формулой: к • к

щ =^ГГ ^ [0'04 ^ Р ^ + кз •(ез + 26) ^ -ез- ^ (1'6)

где къ к2, к3 - коэффициенты, характеризующие максимальную величину оседаний, увеличение грунта в объеме при проходке, степень заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором, (для случая проходки в песчаных грунтах данные коэффициенты приведены в работе [55]); р - излишне изъятый грунт через забой (в процентах); е3 - средняя величина строительного зазора; Д - радиус тоннеля; t - толщина оболочки щита.

В общем виде, в соответствии с результатами анализа данных наблюдений,

распределение оседаний земной поверхности при этом принимает вид:

2

п-х2

= Ло • е477; (1-5)

где п - коэффициент характера формы кривой оседаний; Ь - размер полумульды сдвижения на поверхности.

Область применения зависимостей включает в себя случаи расчетов осадки дневной поверхности при проходке тоннелей в песках и глинах.

В то же время, полученные Сазоновым Г. Н. [107] по результатам анализа эмпирических данных наблюдений, накопленных в процессе возведения тоннелей метрополитена мелкого заложения при использовании передвижной немеханизированной крепи, уравнения прогнозирования вертикальных деформаций дневной поверхности принимали вид: Для песчанистых грунтов:

^(х) = -6,7х + 199 при 0<х<3, (1.7)

л(х) = -0,19х3 + 7,1х2 - 89х + 35 при 3 < х < 11, (1.8)

Для глинистых грунтов:

^(х) = -7,4х + 74 при 0<х<3, (1.9)

^(х) = 0,16х3 - 0,57х2 - 19,3х + 110 при 3 < х < 8, (1.10)

где х - расстояние от края мульды сдвижения, м.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Никоноров Роман Николаевич, 2026 год

// • * •

у/ • т • ф Ф • •

• у/ • / • / • • г* * • • • • • • м •

ф • / V • . •V. • • •

10 20 30 40 50

Значения, полученные по результатам численного эксперимента, м

60

Рисунок 3.3.4. Сравнение значений Ь10тт, определенных экспериментально и в соответствии с полученным уравнением регрессии 3.3.8.

Полученные по результатам регрессионного анализа зависимости позволяют по сравнению с существующими методиками учитывать при определении значений предварительных размеров зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальных осадок независимые параметры условий заложения и особенностей технологической последовательности проходки проектируемого тоннеля, таких, как диаметр щита, глубина заложения свода щита, конусность щита, удельное сцепления, угол внутреннего трения и модуль деформации вмещающего грунтового массива.

0

0

3.4. Методика определения зон влияния, интенсивных деформаций и расчета максимальной осадки земной поверхности при щитовой проходке с применением ТПМК в мелкодисперсных грунтах

В рамках исследования разработана методика определения размера зоны влияния, размера зоны интенсивных деформаций и размера расстояния распространения деформаций перед забоем при проходке тоннелей с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов в мелкодисперсных грунтах и расчета максимальных осадок земной поверхности.

Алгоритм получения размера зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, максимальной осадки и размера расстояния распространения деформаций перед забоем на стадии проектирования предполагает:

1. Сбор данных инженерно-геологических изысканий по трассе проектируемых тоннелей;

2. Анализ геометрических параметров выбранного тоннелепроходческого механизированного комплекса и трассы тоннеля;

3. Оценка предварительной зоны влияния проходки по формуле 3.3.2;

4. Определение максимальных значений деформации по формуле 3.3.6;

5. Расчет ширины зоны интенсивных деформаций по формуле 3.3.8;

6. Сбор перечня зданий и сооружений, попадающих в предварительную зону влияния и в зону интенсивных деформаций для оценки стоимости выполнения изысканий, связанных с оценкой технического состояния зданий и сооружений;

7. Предварительная оценка максимальных деформаций земной поверхности для определения допустимости деформаций зданий и сооружений;

8. Внесение корректировок в трассу проектируемых тоннелей и выбор оптимального ТПМК (или введение специального режима проходки) при получении неприемлемых результатов в части обеспечения сохранности и безопасной эксплуатации зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния;

9. Повторная оценка предварительных результатов по пп. 1 -7;

10. Детальная разработка проектных решений проходки тоннелей.

11. Выполнение уточненного геотехнического прогноза влияния щитовой проходки в соответствии с действующими требованиями нормативных документов Российской Федерации.

12. Определение момента начала ведения наблюдений за зданиями и сооружениями, расположенными в зоне влияния проходки посредством оценки минимального расстояния забоя ТПМК до наблюдаемых сооружений по формуле 3.3.4.

13. Уточнение сроков ведения наблюдений за окружающей застройкой.

Блок-схема представлена на рисунке 3.4.1.

Рисунок 3.4.1. Блок-схема методики определения НДС грунтового массива

Геотехнический прогноз влияния щитовой проходки тоннелей рекомендуется выполнять с учетом технологической последовательности в пространственной постановке задачи.

При выполнении расчета следует учитывать положение тоннеля по трассе проходки, его геометрические характеристики в части диаметра резания и диаметра хвостовой оболочки щита, инженерно-геологическое строение грунтового массива, а также значение давления активного грунтопригруза ТПМК на каждом этапе проходки.

Учет геометрических параметров щита ТПМК, влияющих на возникновение зазора, образовывающегося по причине наличия конусности щита, рекомендуется выполнять при помощи контактных поверхностей путем задания для них значений «initial gap» (начального зазора), возникающего в момент проходки. Величина начального зазора определяется как половина разности между диаметром резания щита и диаметром юбки щита.

Введение в расчетную модель значений давления активного пригруза забоя следует выполнять при вскрытии забоя щитовой проходки. Значения давления необходимо вычислять в соответствии с инженерной методикой определения активного давления пригруза забоя щита [116].

Полученные по результатам геотехнического прогноза значения деформаций земной поверхности, зданий и сооружений необходимо проверять на соответствие требованиям технических регламентов, нормативной документации Российской Федерации и иным установленным требованиям.

3.5. Выводы по главе 3

1. С использованием матрицы планирования эксперимента выполнены численные расчеты в ПВК Z_Soil и получены результаты эксперимента в части определения размера зоны влияния, размера зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальной осадки земной поверхности.

2. Установлены зависимости выходных факторов как от независимых переменных, так и друг от друга. Наименьшая зависимость функций отклика установлена от параметра ширины строительного зазора, обусловленного технологической последовательностью возведения тоннелей.

3. На основе полученных данных и выбранных параметров щитовой проходки составлены модели множественной регрессии для определения значений размера зоны влияния, размера зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальной осадки земной поверхности над осью тоннеля.

4. Разработан алгоритм выполнения предварительного определения перечня зданий и сооружений, попадающих в зону влияния щитовой проходки, и оценки допустимости предполагаемых деформаций в процессе щитовой проходки с применением ТПМК.

5. Уточнена методика выполнения численного моделирования для определения значений прогнозируемых деформаций земной поверхности, зданий и сооружений, расположенных в предварительной зоне влияния выполнения работ.

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ЗДАНИЙ С ПРОГНОЗИРУЕМЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ ПО ПОЛУЧЕННЫМ ЗАВИСИМОСТЯМ И ПО РАЗРАБОТАННЫМ РАНЕЕ МЕТОДИКАМ В

АНАЛОГИЧНЫХ УСЛОВИЯХ. 4.1. Анализ имеющихся данных натурных наблюдений за осадками объектов мониторинга.

В качестве анализируемых данных использовались данные, приведенные в таблице 4.1.1. Выборка значений приведена из натурных наблюдений за осадками, полученных при проходке перегонных тоннелей:

• Рублёво-Архангельской линии (РАЛ) Московского метрополитена с применением ТПМК диаметром резания Оь=6,61 м (диаметр щита Д^6,56 м, внешний диаметр обделки тоннеля А=6,3 м, конусность /=0,025, ширина строительного зазора ¿/=0,13) [103];

• Троицкой линии (ТЛ) Московского метрополитена с применением ТПМК диаметром резания Ль=6,28 (диаметр щита Д^6,23 м, внешний диаметр обделки тоннеля А=6,0 м, конусность /=0,025, ширина строительного зазора //=0,115) [103];

• Автозаводской линии (АЗЛ) Нижегородского метрополитена с применением ТПМК диаметром резания Ль=6,28 (диаметр щита Д^6,23 м, внешний диаметр обделки тоннеля А=6,0 м, конусность /=0,025, ширина строительного зазора ¿/=0,115)

• Большой Кольцевой линии (БКЛ) Московского метрополитена с применением ТПМК диаметром резания Ль=10,62 м (диаметр щита 03= 10,58 м, внешний диаметр обделки тоннеля А=10,3 м, конусность /=0,02, ширина строительного зазора //=0,14);

• Некрасовской линии (НЛ) Московского метрополитена с применением ТПМК диаметром резания Ль=10,82 м (диаметр щита Д^10,78 м, внешний диаметр обделки тоннеля А=10,5 м, конусность /=0,02, ширина строительного зазора //=0,14) [117].

Таблица 4.1.1. Результаты натурных наблюдений осадок марок при проходке тоннелей Рублево-Архангельской, Троицкой Большой Кольцевой линий Московского метрополитена и Автозаводской линии Нижегородского

метрополитена.

Линия Марка Абсолютная осадка ф), мм Расстояние от оси тоннеля до марки (г), м Глубина залегания от поверхности до свода тоннеля (Н1), м Диаметр резания ТПМК (Бъ), м Диаметр хвостовой части щита ТПМК м Внешний диаметр обделки тоннеля Ф1), м Сцепление усредненное (с), кПа Угол внутреннего трения усредненный (ф), град. Модуль деформации усредненный (Е), кПа

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

РАЛ к392.1.1 7,5 9,3 20,02 6,61 6,56 6,3 36,01 21,10 33772

РАЛ к399.1 5,2 1,5 21,37 6,61 6,56 6,3 34,88 22,12 33658

РАЛ к399.1 2,1 17,1 21,37 6,61 6,56 6,3 32,40 23,01 32330

РАЛ к274.1.3 3,9 3,3 29,45 6,61 6,56 6,3 26,26 23,96 31283

РАЛ к307.4 4,7 9,3 25,96 6,61 6,56 6,3 29,58 21,88 29702

РАЛ к316.6.1 5,2 10,2 22,16 6,61 6,56 6,3 28,44 22,51 30105

РАЛ к318.2 7,2 12,5 25,94 6,61 6,56 6,3 31,88 20,43 30187

РАЛ к318.2.3 6,9 9,1 25,11 6,61 6,56 6,3 30,53 21,36 29502

РАЛ к323.5.3 0,9 16,7 14,32 6,61 6,56 6,3 30,90 21,03 30349

РАЛ к343.3 4,7 6,6 24,44 6,61 6,56 6,3 28,46 23,43 29714

РАЛ к343.4 4,3 6,6 24,44 6,61 6,56 6,3 28,76 23,27 29798

РАЛ к354.1 2,1 15,8 24,68 6,61 6,56 6,3 30,43 21,25 30031

РАЛ к354.3 5,5 15,3 24,64 6,61 6,56 6,3 26,75 24,48 29667

РАЛ к354.2 3,5 16,6 24,69 6,61 6,56 6,3 26,96 24,38 29532

РАЛ к367.1 4,2 14,3 25,21 6,61 6,56 6,3 35,37 22,05 33824

РАЛ к367.2 4,2 16,7 25,28 6,61 6,56 6,3 34,51 21,21 32917

РАЛ к375.1 7,4 3,0 25,09 6,61 6,56 6,3 34,58 21,19 32945

РАЛ к387.1 3,6 18,7 23,79 6,61 6,56 6,3 34,61 21,22 32972

РАЛ 88 3,5 18,8 29,84 6,61 6,56 6,3 30,59 24,13 32168

РАЛ tl4 2,0 17,2 26,86 6,61 6,56 6,3 34,59 21,17 32944

РАЛ Ш 1,8 17,6 26,93 6,61 6,56 6,3 27,97 25,06 30978

ТЛ т21621 5,0 4,0 17,70 6,28 6,23 6,0 37,08 19,48 31632

ТЛ т21748 3,7 7,8 19,63 6,28 6,23 6,0 29,18 25,44 31795

ТЛ т21749 3,7 10,1 19,62 6,28 6,23 6,0 29,47 25,31 31899

ТЛ т21741 7,4 0,0 22,67 6,28 6,23 6,0 23,18 27,92 29632

ТЛ т21702 1,1 20,0 24,87 6,28 6,23 6,0 23,72 27,69 29827

ТЛ т21703а 3,1 16,0 25,77 6,28 6,23 6,0 23,76 27,68 29843

ТЛ т21623 5,7 6,7 19,93 6,28 6,23 6,0 25,76 26,51 30533

ТЛ т21649 0,8 18,0 19,70 6,28 6,23 6,0 29,55 22,95 30837

ТЛ т21698 3,1 18,0 24,25 6,28 6,23 6,0 29,53 23,07 30768

ТЛ т21701 8,9 11,3 24,07 6,28 6,23 6,0 29,51 23,07 30854

ТЛ т21706 2,3 17,4 27,47 6,28 6,23 6,0 29,49 23,08 30848

ТЛ т21709 1,5 18,2 28,41 6,28 6,23 6,0 29,48 22,97 30850

ТЛ т21708 5,1 7,0 27,57 6,28 6,23 6,0 30,78 21,17 29965

ТЛ т228 1,0 25,4 34,91 6,28 6,23 6,0 26,43 24,53 29291

ТЛ т229 2,3 18,1 34,92 6,28 6,23 6,0 27,10 24,23 29524

ТЛ т227 0,4 32,5 34,80 6,28 6,23 6,0 27,04 23,75 30152

ТЛ т206 1,6 22,0 28,06 6,28 6,23 6,0 25,83 24,49 29522

ТЛ т55.1 0,6 32,7 29,91 6,28 6,23 6,0 25,30 24,78 29424

ТЛ т55.2 1,2 21,4 30,59 6,28 6,23 6,0 27,23 23,62 30173

ТЛ т58.1 0,9 24,5 32,08 6,28 6,23 6,0 26,79 23,77 30019

ТЛ т59.1 2,7 21,2 33,26 6,28 6,23 6,0 26,57 23,92 29994

ТЛ т60.1 5,8 17,0 34,81 6,28 6,23 6,0 26,56 23,88 29967

ТЛ т60.2 5,5 21,2 34,59 6,28 6,23 6,0 26,71 23,86 30037

ТЛ т295 2,3 18,4 34,44 6,28 6,23 6,0 26,81 23,81 30058

ТЛ т214 5,0 6,8 35,34 6,28 6,23 6,0 26,75 23,84 30042

ТЛ т215 4,5 4,8 35,09 6,28 6,23 6,0 29,27 23,01 30756

ТЛ т219 0,3 40,7 34,33 6,28 6,23 6,0 26,14 24,05 29835

ТЛ т240 0,9 33,2 35,06 6,28 6,23 6,0 29,53 22,96 30821

ТЛ т303 0,3 42,7 35,17 6,28 6,23 6,0 29,50 22,96 30838

ТЛ т300 5,5 9,5 35,03 6,28 6,23 6,0 29,59 22,95 30887

ТЛ т299 5,0 14,2 35,01 6,28 6,23 6,0 26,85 24,39 30250

ТЛ т301 4,3 20,6 35,12 6,28 6,23 6,0 26,85 24,39 30234

АЗЛ у22 16,4 1 10,76 6,28 6,23 6,0 29,50 23,09 30838

БКЛ к36 7,2 13,77 17,74 10,62 10,58 10,3 29,43 23,12 30247

НЛ б/н 1,8 21 21,91 10,82 10,78 10,5 33,30 22,32 29518

Анализируемый массив содержит данные о максимальной осадке марок si, расположенных на расстоянии г от оси тоннеля, глубине заложения свода тоннеля Н1, усредненных значениях сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации вмещающего массива (с, ф, Е).

Учитывая, что натурные данные приведены для осадок, находящихся на некоем расстоянии от оси тоннеля, для определения максимальных значений осадок над осью применим функцию нормального распределения Гаусса, позволяющую найти осадку земной поверхности на любом удалении от оси тоннеля (формула 1.11) [35]. Таким образом, значение максимальной осадки над осью тоннеля можно найти из уравнения:

В таблице 4.1.2 представлены максимальные значения осадки земной поверхности над осью тоннелей, определенные по функции нормального распределения Гаусса из результатов натурных наблюдений по формуле 4.1.

Таблица 4.1.2. Результаты определения максимальной осадки земной поверхности над осью тоннеля по данным натурных наблюдений

№ п/п Линия Марка Абсолютная осадка (я), мм Расстояние от оси тоннеля до марки (г), м Внешний диаметр обделки тоннеля (О1), м Глубина залегания от поверхности до свода тоннеля (ИГ), м Сцепление в забое (с1), кПа Сцепление над тоннелем (с2), кПа ¡х по формуле 4.2 Бтах по формуле 4.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 РАЛ к392.1.1 7,5 9,3 6,3 20,02 4,00 34,88 9,27 12,41

2 РАЛ к399.1 5,2 1,5 6,3 21,37 4,00 32,40 9,81 5,26

3 РАЛ к399.1 2,1 17,1 6,3 21,37 4,00 32,40 9,81 9,60

4 РАЛ к274.1.3 3,9 3,3 6,3 29,45 4,02 35,37 13,04 4,03

5 РАЛ к307.4 4,7 9,3 6,3 25,96 4,00 34,51 11,64 6,47

6 РАЛ к316.6.1 5,2 10,2 6,3 22,16 4,00 30,59 10,12 8,64

7 РАЛ к318.2 7,2 12,5 6,3 25,94 4,00 34,59 11,64 12,82

8 РАЛ к318.2.3 6,9 9,1 6,3 25,11 4,00 27,97 11,30 9,54

9 РАЛ к323.5.3 0,9 16,7 6,3 14,32 15,67 37,08 6,99 15,65

10 РАЛ к343.3 4,7 6,6 6,3 24,44 4,42 29,18 11,04 5,62

11 РАЛ к343.4 4,3 6,6 6,3 24,44 4,42 29,18 11,04 5,14

12 РАЛ к354.1 2,1 15,8 6,3 24,68 4,39 23,18 11,13 5,75

13 РАЛ к354.3 5,5 15,3 6,3 24,64 4,40 29,47 11,12 14,18

14 РАЛ к354.2 3,5 16,6 6,3 24,69 4,39 23,18 11,14 10,63

15 РАЛ к367.1 4,2 14,3 6,3 25,21 4,37 23,72 11,34 9,30

16 РАЛ к367.2 4,2 16,7 6,3 25,28 4,37 23,76 11,37 12,35

17 РАЛ к375.1 7,4 3,0 6,3 25,09 4,36 25,76 11,30 7,67

18 РАЛ к387.1 3,6 18,7 6,3 23,79 4,00 29,15 10,78 16,23

19 РАЛ й8 3,5 18,8 6,3 29,84 8,19 33,30 13,20 9,66

20 РАЛ tl4 2,0 17,2 6,3 26,86 4,00 34,56 12,00 5,58

21 РАЛ Ш 1,8 17,6 6,3 26,93 4,00 34,55 12,03 5,25

22 ТЛ т21621 5,0 4,0 6,0 17,70 27,32 31,14 8,28 5,62

23 ТЛ т21748 3,7 7,8 6,0 19,63 8,41 26,78 9,05 5,36

24 ТЛ т21749 3,7 10,1 6,0 19,62 15,51 24,21 9,05 6,90

25 ТЛ т21741 7,4 0,0 6,0 22,67 8,30 26,26 10,27 7,40

26 ТЛ т21702 1,1 20,0 6,0 24,87 4,00 29,58 11,15 5,50

27 ТЛ т21703а 3,1 16,0 6,0 25,77 4,00 28,44 11,51 8,15

28 ТЛ т21623 5,7 6,7 6,0 19,93 15,63 23,09 9,17 7,44

29 ТЛ т21649 0,8 18,0 6,0 19,70 15,58 23,46 9,08 5,71

30 ТЛ т21698 3,1 18,0 6,0 24,25 4,00 30,53 10,90 12,12

31 ТЛ т21701 8,9 11,3 6,0 24,07 4,00 30,78 10,83 15,34

32 ТЛ т21706 2,3 17,4 6,0 27,47 10,03 30,90 12,19 6,37

33 ТЛ т21709 1,5 18,2 6,0 28,41 4,58 28,46 12,56 4,28

34 ТЛ т21708 5,1 7,0 6,0 27,57 10,10 30,43 12,23 6,01

35 ТЛ т228 1,0 25,4 6,0 34,91 8,75 29,53 15,16 4,07

36 ТЛ т229 2,3 18,1 6,0 34,92 8,75 29,49 15,17 4,69

37 ТЛ т227 0,4 32,5 6,0 34,80 32,28 29,48 15,12 4,03

38 ТЛ т206 1,6 22,0 6,0 28,06 10,08 30,78 12,42 7,67

39 ТЛ т55.1 0,6 32,7 6,0 29,91 4,94 26,46 13,16 13,12

40 ТЛ т55.2 1,2 21,4 6,0 30,59 4,98 26,43 13,44 4,27

41 ТЛ т58.1 0,9 24,5 6,0 32,08 5,00 25,83 14,03 4,13

42 ТЛ т59.1 2,7 21,2 6,0 33,26 5,00 25,30 14,50 7,86

43 ТЛ т60.1 5,8 17,0 6,0 34,81 16,25 27,23 15,12 10,91

44 ТЛ т60.2 5,5 21,2 6,0 34,59 16,25 27,08 15,04 14,86

45 ТЛ т295 2,3 18,4 6,0 34,44 16,25 26,79 14,98 4,89

46 ТЛ т214 5,0 6,8 6,0 35,34 16,25 26,71 15,34 5,52

47 ТЛ т215 4,5 4,8 6,0 35,09 16,25 26,81 15,24 4,73

48 ТЛ т219 0,3 40,7 6,0 34,33 33,75 29,28 14,93 12,31

49 ТЛ т240 0,9 33,2 6,0 35,06 32,84 29,53 15,22 9,70

51 ТЛ т303 0,3 42,7 6,0 35,17 8,75 29,47 15,27 14,98

52 ТЛ т300 5,5 9,5 6,0 35,03 19,57 26,85 15,21 6,68

53 ТЛ т299 5,0 14,2 6,0 35,01 19,28 26,85 15,20 7,73

54 ТЛ т301 4,3 20,6 6,0 35,12 8,75 29,43 15,25 10,71

55 АЗЛ у22 16,4 1 6,0 10,76 17,9 23,87 5,50 16,67

56 БКЛ к36 7,2 13,77 10,3 17,74 43,00 12,00 9,16 22,31

57 НЛ б/н 1,8 21 10,5 21,91 21,01 9,30 9,11 25,65

4.2. Сопоставление данных натурных наблюдений с прогнозируемыми значениями расчетов по различным методикам.

По имеющимся данным, представленным в таблице 4.1.1, получены усредненные значения сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации грунтов в сечении тоннелей (с, ф, Е) и значение глубины залегания свода щита, используемые при расчете значений параметров деформирования земной

поверхности по полученным уравнениям регрессии (формулы 3.3.1 - 3.3.8). Результаты расчетов приведены в таблице 4.2.1

Таблица 4.2.1. Результаты определения максимальной осадки по формулам

3.3.1 - 3.3.8 для аналогичных натурным измерениям условий.

£ Линия Марка Глубина залегания от поверхности до свода щита (Н), м Сцепление усредненное (с), кПа Угол внутреннего трения усредненный (ф), град. Модуль деформации усредненный (Е), МПа Диаметр щита ф8), м. Конусность щита м Размер ширины зоны влияния ^1тт) по формуле 3.3.2, м Расстояние распространения деформаций перед забоем (LF1mm) по формуле 3.3.4, м Максимальная осадка ^тах) по формуле 3.3.6, мм

1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 РАЛ к392.1.1 20,18 27,26 25,79 31,03 6,56 0,025 30,82 16,49 11,18

2 РАЛ к399.1 21,53 25,73 26,30 30,14 6,56 0,025 31,78 17,88 11,06

3 РАЛ к399.1 21,53 25,73 26,30 30,14 6,56 0,025 31,78 17,88 11,06

4 РАЛ к274.1.3 29,61 29,66 24,77 31,86 6,56 0,025 40,80 27,85 9,86

5 РАЛ к307.4 26,12 28,36 24,40 30,92 6,56 0,025 37,23 23,57 10,19

6 РАЛ к316.6.1 22,32 24,52 27,07 30,07 6,56 0,025 32,14 18,53 10,94

7 РАЛ к318.2 26,10 28,42 24,37 30,94 6,56 0,025 37,23 23,55 10,19

8 РАЛ к318.2.3 25,27 23,00 27,53 29,33 6,56 0,025 34,70 21,83 10,66

9 РАЛ к323.5.3 14,48 30,35 23,20 30,18 6,56 0,025 26,88 11,82 13,39

10 РАЛ к343.3 24,60 23,94 27,71 30,11 6,56 0,025 34,03 20,91 10,57

11 РАЛ к343.4 24,60 23,94 27,71 30,11 6,56 0,025 34,03 20,91 10,57

12 РАЛ к354.1 24,84 19,23 29,66 28,40 6,56 0,025 33,16 20,82 10,95

13 РАЛ к354.3 24,80 24,20 27,60 30,20 6,56 0,025 34,29 21,17 10,52

14 РАЛ к354.2 24,85 19,24 29,66 28,40 6,56 0,025 33,17 20,83 10,95

15 РАЛ к367.1 25,37 19,72 29,46 28,57 6,56 0,025 33,78 21,48 10,84

16 РАЛ к367.2 25,44 19,77 29,45 28,58 6,56 0,025 33,86 21,56 10,83

17 РАЛ к375.1 25,25 21,32 28,53 29,12 6,56 0,025 34,15 21,53 10,72

18 РАЛ к387.1 23,95 23,71 27,47 29,80 6,56 0,025 33,49 20,26 10,72

19 РАЛ й8 30,00 28,77 24,59 28,64 6,56 0,025 41,23 29,07 10,59

20 РАЛ И4 27,02 28,56 24,35 31,01 6,56 0,025 38,19 24,70 10,11

21 РАЛ Ш 27,09 28,57 24,35 31,01 6,56 0,025 38,26 24,78 10,11

22 ТЛ т21621 17,84 30,15 22,52 30,25 6,23 0,025 29,14 14,47 11,50

23 ТЛ т21748 19,77 22,35 27,09 30,03 6,23 0,025 28,67 15,18 11,21

24 ТЛ т21749 19,76 22,11 27,21 29,97 6,23 0,025 28,60 15,14 11,23

25 ТЛ т21741 22,81 22,39 26,32 30,80 6,23 0,025 31,75 18,35 10,33

26 ТЛ т21702 25,01 24,46 24,91 29,77 6,23 0,025 34,57 21,43 10,16

27 ТЛ т21703а 25,91 23,68 25,33 30,03 6,23 0,025 35,23 22,31 10,03

28 ТЛ т21623 20,07 21,31 27,58 29,13 6,23 0,025 28,69 15,48 11,32

29 ТЛ т21649 19,84 21,57 27,46 29,15 6,23 0,025 28,55 15,28 11,38

30 ТЛ т21698 24,39 25,11 24,56 29,67 6,23 0,025 34,15 20,84 10,25

31 ТЛ т21701 24,21 25,27 24,46 30,36 6,23 0,025 34,03 20,54 10,14

32 ТЛ т21706 27,61 27,04 23,38 30,28 6,23 0,025 38,01 25,01 9,84

33 ТЛ т21709 28,55 24,17 25,66 29,74 6,23 0,025 37,79 25,59 9,92

34 ТЛ т21708 27,71 26,68 23,53 29,99 6,23 0,025 38,02 25,13 9,89

35 ТЛ т228 35,05 26,38 24,68 30,78 6,23 0,025 45,38 34,78 10,01

36 ТЛ т229 35,06 26,35 24,68 30,85 6,23 0,025 45,38 34,77 10,00

37 ТЛ т227 34,94 29,91 23,32 30,84 6,23 0,025 46,17 35,24 10,02

38 ТЛ т206 28,20 27,02 23,44 29,97 6,23 0,025 38,59 25,81 9,88

39 ТЛ т55.1 30,05 22,75 26,30 29,26 6,23 0,025 38,96 27,40 10,00

40 ТЛ т55.2 30,73 22,80 26,31 29,29 6,23 0,025 39,67 28,30 10,01

41 ТЛ т58.1 32,22 22,44 26,20 29,52 6,23 0,025 41,27 30,30 10,02

42 ТЛ т59.1 33,40 22,10 26,39 29,42 6,23 0,025 42,43 31,91 10,12

43 ТЛ т60.1 34,95 25,56 24,74 30,17 6,23 0,025 45,17 34,70 10,15

44 ТЛ т60.2 34,73 25,43 24,78 30,12 6,23 0,025 44,90 34,37 10,13

45 ТЛ т295 34,58 25,18 24,88 30,02 6,23 0,025 44,66 34,12 10,13

46 ТЛ т214 35,48 25,14 24,93 30,04 6,23 0,025 45,65 35,44 10,25

47 ТЛ т215 35,23 25,22 24,89 30,06 6,23 0,025 45,39 35,08 10,21

48 ТЛ т219 34,47 29,97 23,28 30,75 6,23 0,025 45,66 34,58 9,98

49 ТЛ т240 35,20 30,03 23,28 30,82 6,23 0,025 46,49 35,66 10,06

51 ТЛ т303 35,31 26,35 24,69 30,83 6,23 0,025 45,66 35,15 10,03

52 ТЛ т300 35,17 25,75 25,21 30,25 6,23 0,025 45,21 34,89 10,15

53 ТЛ т299 35,15 25,71 25,23 30,23 6,23 0,025 45,18 34,86 10,15

54 ТЛ т301 35,26 26,31 24,71 30,33 6,23 0,025 45,59 35,19 10,15

55 АЗЛ у22 10,76 22,70 21,14 13,00 6,23 0,025 23,16 10,56 20,90

56 БКЛ к36 17,76 23,77 26,61 25,23 10,58 0,02 40,12 22,24 21,65

57 НЛ б/н 21,91 13,17 31,06 23,50 10,78 0,02 42,48 26,51 22,87

В таблице 4.2.2 представлены максимальные значения осадки земной поверхности над осью тоннелей, определенные по функции нормального распределения Гаусса из результатов натурных наблюдений, максимальные значения осадки земной поверхности, вычисленные по формулам 3.3.1 - 3.3.8, результаты расчетов максимальной осадки в соответствии с [32] по формуле 1.14 при значении GLR=0,015 и результатов расчетов осадки по [33] (формула 1.49).

Также приведена разница между вычисленными значениями по различным методикам и значениями, полученными по результатам обработки данных натурных наблюдений.

Таблица 4.2.2. Сводная таблица результатов натурных измерений и расчетов

максимальной осадки по различным методикам для аналогичных условий.

£ Марка Максимальная осадка (Smax), вычисленная по формуле 4.1 из натурных наблюдений, Максимальная осадка ^тах), вычисленная в соответствии с [32] по формуле 1.14 при значении GLR=0,015, Максимальная осадка ^тах), вычисленная в соответствии с [33] по формуле 1.49, мм Максимальная осадка ^тах) по формуле 3.3.6, мм Разница между значениями максимальных осадок, мм

Натурных и по формуле 3.3.6 Натурных и по формуле 1.14 Натурных и по формуле 1.49

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 к392.1.1 12,41 21,80 14,07 11,18 -1,23 9,39 1,66

2 к399.1 5,26 20,60 14,41 11,06 5,80 15,34 9,15

3 к399.1 9,60 20,60 14,41 11,06 1,46 11,00 4,81

4 к274.1.3 4,03 15,49 13,75 9,86 5,83 11,47 9,73

5 к307.4 6,47 17,35 14,15 10,19 3,72 10,89 7,68

6 к316.6.1 8,64 19,96 14,41 10,94 2,30 11,32 5,77

7 к318.2 12,82 17,36 14,15 10,19 -2,63 4,54 1,32

8 к318.2.3 9,54 17,87 14,49 10,66 1,12 8,33 4,95

9 к323.5.3 15,65 28,91 14,67 13,39 -2,26 13,27 -0,97

10 к343.3 5,62 18,31 14,18 10,57 4,95 12,69 8,56

11 к343.4 5,14 18,31 14,18 10,57 5,43 13,17 9,04

12 к354.1 5,75 18,15 14,99 10,95 5,20 12,40 9,24

13 к354.3 14,18 18,18 14,14 10,52 -3,66 3,99 -0,04

14 к354.2 10,63 18,14 14,99 10,95 0,32 7,51 4,36

15 к367.1 9,30 17,81 14,91 10,84 1,55 8,51 5,61

16 к367.2 12,35 17,77 14,90 10,83 -1,51 5,42 2,56

17 к375.1 7,67 17,89 14,62 10,72 3,06 10,22 6,96

18 к387.1 16,23 18,75 14,50 10,72 -5,50 2,52 -1,72

19 88 9,66 15,31 15,16 10,59 0,94 5,65 5,50

20 И4 5,58 16,83 14,10 10,11 4,53 11,25 8,52

21 Ш 5,25 16,79 14,10 10,11 4,86 11,55 8,86

22 т21621 5,62 22,01 15,99 11,50 5,88 16,39 10,37

23 т21748 5,36 20,13 15,81 11,21 5,85 14,77 10,45

24 т21749 6,90 20,14 15,73 11,23 4,33 13,24 8,83

25 т21741 7,40 17,75 15,48 10,33 2,93 10,35 8,08

26 т21702 5,50 16,35 16,06 10,16 4,66 10,85 10,56

27 т21703а 8,15 15,83 15,89 10,03 1,88 7,69 7,74

28 т21623 7,44 19,87 16,16 11,32 3,88 12,42 8,72

29 т21649 5,71 20,07 16,16 11,38 5,67 14,36 10,45

30 т21698 12,12 16,72 16,14 10,25 -1,87 4,60 4,02

31 т21701 15,34 16,83 15,77 10,14 -5,20 1,49 0,42

32 т21706 6,37 14,95 15,81 9,84 3,46 8,58 9,44

33 т21709 4,28 14,50 16,11 9,92 5,64 10,22 11,83

34 т21708 6,01 14,90 15,95 9,89 3,88 8,89 9,95

35 т228 4,07 12,02 15,51 10,01 5,95 7,95 11,44

36 т229 4,69 12,01 15,47 10,00 5,31 7,33 10,79

37 т227 4,03 12,05 15,42 10,02 5,99 8,02 11,39

38 т206 7,67 14,67 15,97 9,88 2,20 6,99 8,30

39 т55.1 13,12 13,84 16,35 10,00 -3,12 0,72 3,22

40 т55.2 4,27 13,56 16,32 10,01 5,74 9,30 12,06

41 т58.1 4,13 12,99 16,12 10,02 5,89 8,85 11,99

42 т59.1 7,86 12,56 16,17 10,12 2,27 4,71 8,31

43 т60.1 10,91 12,05 15,68 10,15 -0,76 1,14 4,77

44 т60.2 14,86 12,12 15,71 10,13 -4,73 -2,74 0,85

45 т295 4,89 12,17 15,75 10,13 5,24 7,28 10,86

46 т214 5,52 11,88 15,74 10,25 4,73 6,37 10,23

47 т215 4,73 11,96 15,73 10,21 5,48 7,23 11,00

48 т219 12,31 12,20 15,47 9,98 -2,33 -0,11 3,15

49 т240 9,70 11,97 15,43 10,06 0,36 2,27 5,73

51 т303 14,98 11,94 15,48 10,03 -4,95 -3,05 0,50

52 т300 6,68 11,98 15,64 10,15 3,46 5,29 8,96

53 т299 7,73 11,99 15,65 10,15 2,41 4,25 7,92

54 т301 10,71 11,95 15,74 10,15 -0,56 1,24 5,03

55 у22 16,67 33,11 35,87 20,90 4,23 16,44 19,19

56 к36 22,31 57,40 6,27 21,65 -0,65 35,09 -16,04

57 б/н 25,65 59,89 6,48 22,87 -2,78 34,24 -19,17

среднее 2,05 8,98 6,30

максимальное 5,99 35,09 19,19

минимальное -5,50 -3,05 -19,17

На рисунке 4.2.1 приведена графическая интерпретация результатов

определения максимальных вертикальных осадок земной поверхности, представленных в таблице 4.2.2.

60,00

50,00

el о

л X

40,00

а.

о

(И

X X

S 30,00 и

л m

х

(И

Е

(Л

П5 20,00

ОС (И X

10,00

0,00

0,00 10,00 20,00

Максимальная осадка (Smax), полученная из натурных наблюдений, мм

30,00

• Максимальная осадка (Smax), вычисленная в соответствии с O'Reilly, M. P., & New, В. M при значении GLR=0,015, мм

• Максимальная осадка (Smax), вычисленная в соответствии с Oteo C.S., Sagaseta С., мм

О Максимальная осадка (Smax), вычисленная по выявленной регрессионной зависимости, мм

Рисунок 4.2.1. Сравнительная диаграмма осадок земной поверхности полученных по результатам натурных наблюдений и вычисленных по различным

методикам.

На рисунке 4.2.2 представлены диаграммы распределения значений максимальной осадки, вычисленных по различным методикам и значений по результатам обработки натурных наблюдений.

Из диаграмм видно, что почти все значения, полученные по результатам вычисления максимальной осадки по формуле 3.3.6 находятся в пределах ±1,5х^Я значений, полученных при обработке результатов натурных наблюдений.

30,00

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

Максимальная осадка (Smax), вычисленная по формуле 4.1 из натурных наблюдений, мм

Максимальная осадка (Smax), вычисленная в соответствии с [30] по формуле 1.14 при значении GLR=0,015, мм

Максимальная осадка (Smax), вычисленная в соответствии с [31] по формуле 1.49, мм

Максимальная осадка (Smax), вычисленная по выявленной регрессионной зависимости (формула 3.3.6), мм

0,00

Рисунок 4.2.2. Диаграммы распределения значений максимальных осадок

земной поверхности Также стоит отметить, что значения максимальных осадок, полученные в соответствии с [33] находятся в пределах ±1,5х^Я значений, полученных при обработке результатов натурных наблюдений.

По полученным результатам, приведенным в таблице 4.2.2, построены также диаграммы разброса разностей значений между максимальной осадкой ^тох), вычисленной по формуле 4.1 из натурных наблюдений и максимальной осадкой ^тох), вычисленной по различным методикам (по полученному уравнению регрессии 3.3.6; в соответствии с [32] по формуле 1.14 при значении GLR=0,015 и согласно формуле 1.49 [33]) и приведены на рисунке 4.2.3.

Разница между максимальной осадкой ^тах), вычисленной по формуле 4.1 из натурных

□ наблюдений и максимальной осадкой ^тах), вычисленной в

соответствии с [30] по формуле 1.14 при значении GLR=0,015, мм

Разница между максимальной осадкой ^тах), вычисленной по формуле 4.1 из натурных

□ наблюдений и максимальной осадкой ^тах), вычисленной в соответствии с [31] по формуле

1.49, мм

Разница между максимальной осадкой ^тах), вычисленной по |—I формуле 4.1 из натурных наблюдений и максимальной осадкой ^тах), вычисленной по

формуле 3.3.6, мм •

-20,00

Рисунок 4.2.3. Диаграммы разброса разностей вычисленных значений и

значений, полученных по натурным наблюдениям Исходя из рисунка 4.2.3 и данных, представленных в таблице 4.2.1, можно сделать вывод о том, что различия результатов обработки натурных наблюдений от значений деформаций, полученных по выведенному уравнению регрессии, находятся в пределах от -5,5 мм до 5,99 мм, при этом средняя разница составляет -2,05 мм, в то время, как различия с другими методиками варьируются в пределах от -3,05 мм до 35,09 мм и от -19,17 мм до 19,19 мм для методик, представленных в [32] и в [33] соответственно, а средняя разность составляет 8,98 и 6,30.

Следует отметить, что представленные данные натурных наблюдений, получены по результатам геодезических измерений вертикального положения наблюдаемых марок с различной точностью.

По результатам сравнительного анализа можно сделать вывод о хорошей сходимости результатов определения максимальной осадки земной поверхности по полученным регрессионным уравнениям 3.3.1 - 3.3.8 с данными натурных

40,00

30,00

20,00

10,00

0,00

-10,00

наблюдений, среднее значение отличия результатов расчетов от данных натурных наблюдений не превышает 22%. При этом результаты расчетов по методикам O'Reilly, M. P., & New, В. M [32] и Oteo C.S., Sagaseta С [33] показали большой разброс при сравнении с результатами натурных наблюдений, средния значения отличия прогнозных результатов от натурных данных составляют 48% и 63% соответственно. Полученные регрессионные зависимости позволяют определить значения максимальных осадок земной поверхности с большей точностью по сравнению с ранее разработанными методиками, рассмотренными в рамках исследования, за счет расширения перечня входных параметров. Результаты более приближены к данным натурных наблюдений в связи с включением в регрессионный анализ дополнительных факторов, учет которых не предполагается разработанными ранее методиками.

Следует отметить, что нормативной документацией в настоящее время регламентируется определение предварительной зоны влияния проходки закрытых выработок в зависимости от глубины расположений низа открытой выработки (1,5*Ht от оси тоннеля в каждую сторону) [115] или в зависимости от глубины заложения оси тоннеля (1,0*Ha от оси тоннеля в каждую сторону) [112].

На рисунке 4.2.4 представлена графическая интерпретация результатов определения размеров предварительной зоны влияния.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Размер зоны влияния (L1mm), вычисленный по выявленной регрессионной зависимости (формула 3.3.2), м

• Предварительная зоная влияния, определяемая по формуле 1,5*М

• Предварительная зоная влияния, определяемая по формуле 1,0*^

Рисунок 4.2.4. Сравнительная диаграмма размеров предварительной зоны влияния, вычисленных по различным зависимостям.

По результатам сравнения значений размеров зоны влияния, определенным по полученному уравнению регрессии, со значениями, определенным в соответствии с требованиями нормативной документации можно сделать вывод о том, что отличия значений размеров ширины зоны влияния, вычисленных по регрессионным зависимостям, от нормативно требуемых варьируются в пределах от -42% до 43%. Среднее значение отклонения вычисленных значений находятся в пределах 20-35 %. Следует отметить, что при определение зоны влияния, в

соответствии с [115] дает более консервативную оценку относительно предложенной методики, в то же время определенная в соответствии с [112] зона влияния показывает заниженные до 40% результаты, что не является надежным при решении вопросов обеспечения сохранности и безопасной эксплуатации зданий и сооружений окружающей застройки. Разработанная методика позволяет более комплексно подойти к вопросам определения зоны влияния и расширить границы применимость существующих зависимостей.

4.3. Выводы по главе 4

1. По данным натурных наблюдений получены значения максимальных осадок над осью тоннеля путем использования функции нормального распределения Гаусса, позволяющую найти осадку земной поверхности на любом удалении от оси тоннеля.

2. Определены значения максимальных осадок по полученным уравнениям регрессии для условий, аналогичных условиям проходки тоннелей Рублево-Архангельской, Троицкой, Некрасовской, Большой Кольцевой линий Московского метрополитена и Автозаводской лини Нижегородского метрополитена;

3. Вычислены значения максимальных осадок, прогнозируемых по методикам, разработанным O'Reilly, M. P., & New, В. M [32] и Oteo C.S., Sagaseta С [33];

4. Выполнен сравнительный анализ по графикам максимальных осадок земной поверхности над осью тоннелей, вычисленных по различным методикам и значений по результатам обработки натурных наблюдений, построены диаграммы разброса распределения и разностей вычисленных значений максимальной осадки и значений, полученных по натурным наблюдениям;

5. Сравнительный анализ полученных данных свидетельствует о хорошей сходимости результатов определения максимальной осадки земной поверхности по полученным регрессионным уравнениям (формулы 3.3.1 - 3.3.8) с данными натурных наблюдений. При этом результаты расчетов по методикам O'Reilly, M. P., & New, В. M [32] и Oteo C.S., Sagaseta С [33] показали большой разброс при

сравнении с результатами натурных наблюдений, значения отклонений находятся в пределах от -3,05 мм до 35,09 мм и от -19,17 мм до 19,19 мм соответственно.

6. Полученные в рамках исследования уравнения регрессии, учитывающие параметры трассы проектируемого тоннеля и технологическую последовательность проходки с применением ТПМК позволяют на этапе проработки проектных решений определить размеры зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, расстояния распространения деформаций перед забоем и максимальную осадку земной поверхности для различных условий проходки тоннелей.

Обобщая результаты выполненного исследования, можно сформулировать следующие выводы.

1. Анализ существующих подходов к определению основных характеристик деформирования грунтового массива позволил определить необходимость решения задачи обобщенной оценки деформаций земной поверхности при возведении тоннелей в мелкодисперсных грунтах с применением ТПМК с учетом технологических параметров этапов проходки, обусловленные продвижением щита, монтажом обделки с заполнением заобделочного пространства тампонажным раствором при одновременном поддержании устойчивости лба забоя активным пригрузом.

2. Для проведения численного моделирования системы «ТПМК/обделка - грунтовый массив» разработаны принципы построения математической модели, характеризующие различные условия залегания и учитывающие изменение НДС грунтового массива при ведении щита: в забое путем ввода в модель вспомогательной виртуальной перегородки, заменяющей действие активного пригруза забоя, конвергенцию защитового пространства (на корпусе ТПМК) при перемещении щита и заполнение заобделочного пространства тампонажным раствором.

3. Выявлены основные наиболее значимые факторы, влияющие на размеры зоны влияния, размеры зоны интенсивных деформаций, расстояние распространения деформаций перед забоем и максимальную осадку при проходке тоннелей с применением ТПМК. По итогам статистического анализа полученных результатов эксперимента определено, что наибольший вклад в искомые функции отклика вносят такие факторы как диаметр щита ТПМК глубина заложения шелыги свода щита (Н), конусность щита (I = (ВЬ-В8)/2), удельное сцепление грунта (с), угол внутреннего сцепления грунта (ф), модуль деформации грунта (Е). Помимо влияния независимых переменных на функции отклика выявлена зависимость фактора 5тах от определяемых параметров ЬЕ1тт и Ь1тт и

зависимость фактора L10mm от определяемого параметра LFimm. При исследовании также выявлено, что значение ширины строительного зазора (tl = (Ds-Dl)/2) не оказывает влияния на искомые функции при условии заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором на полное сечение (в рамках проходки ТПМК предполагаются качественно выполненные работы по тампонажу).

4. По результатам статистического анализа, при использовании наиболее значимых факторов, предложены уточненные зависимости определения максимальной осадки Smax, размера зоны влияния Limm, размера зоны интенсивных деформаций Liomm и расстояния распространения деформаций перед забоем LFimm. Выявленные факторные зависимости позволяют на этапе разработки проекта оценить основные характеристики деформирования земной поверхности с дальнейшей корректировкой решений с целью минимизации дополнительных перемещений зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния производства работ по проходке тоннелей.

5. Составлен алгоритм определения размера зоны влияния, зоны интенсивных деформаций, максимальной осадки и размера расстояния распространения деформаций перед забоем на стадии проектирования, позволяющий на этапе разработки проектной документации оценить объем и сроки наблюдения за техническим состоянием окружающей застройки, включая сроки начала наблюдений, устанавливаемые исходя из момента начала деформаций при приближении ТПМК к объекту наблюдения.

6. Результаты сравнительного анализа данных натурных наблюдений за деформациями зданий с в аналогичных условиях показали хорошую сходимость. Верификация прогнозируемых результатов определения максимальных осадок по полученным в рамках исследования зависимостям с использованием результатов натурных геодезических наблюдений на объектах возведения тоннелей с различными условиями показала их высокую надежность и достоверность. Применение полученных зависимостей, в сравнении с существующими методами (O'Reilly, M. P., & New, В. M [32] и Oteo C.S., Sagaseta С [33]) позволяет увеличить точность оценки прогнозируемых деформаций до 40%.

Рекомендации и перспективы дальнейших исследований

Необходимо дальнейшее развитие методики оценки изменения деформированного состояния грунтового массива в процессе проходки тоннелей с применением ТПМК.

Разработанные зависимости определения параметров деформирования земной поверхности необходимо усовершенствовать в части учета грунтовых вод и нагрузки на земной поверхности. Методику также можно дополнить оценкой деформирования грунтового массива на разных глубинах и на различных расстояниях от забоя и от оси возводимого тоннеля.

Результаты дальнейших исследований могут послужить основой для формирования нормативно-рекомендательной базы для выполнения геотехнического прогноза влияния щитовой проходки тоннелей и позволят повысить безопасность эксплуатации существующих зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, располагающихся в предварительной зоне влияния проектируемого строительства.

1. Abdrabbo F.M., Abd El-Lateef Н.А., El-Nahhas P.M. Effect of tunneling on adjacent structures // Proc. of the 8th Int. IAEG Congress. - Rotterdam: A.A. Balkema, 1998. - P. 3769-3773.

2. Abu-Farsakh M.Y., Voyiadjis G.Z. Computational model for the simulation of the shield tunneling process in cohesive soil // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. - 1999. - Vol. 23, № 1. - P. 23-24.

3. Addenbrooke T.I., Potts D.M. Twin tunnel interaction: surface and subsurface effects // International Journal of Geomechanics. - Vol. 1, №2 2. - P. 249-271.

4. Almeida e Sousa J., Silva Cardoso A., Matos Fernandes M. Three-dimensional analysis of the Paraiso tunnel, Brasil // Proc. Int. Symp. "Applications of Computational Mechanics in Geotechnical Engineering". - Lisse: Swets & Zeitlinger, 2001. - P. 165-173.

5. Attewell P.B. Ground movements caused by tunnelling in soil // Large ground movements and structures. - London: Pentech Press, 1978. - P. 812-948.