Использование β-метода при расчете тоннелей, сооружаемых горным способом

Хорошо известно, что корректное численное моделирование горного способа строительства тоннелей возможно только в пространственной постановке, т.к. до момента устройства крепи тоннеля часть горного давления воспринимает окружающий массив грунта. Однако выполнение трехмерного анализа для всего тоннеля – это весьма трудоемкая задача (как правило, при реализации проекта возникает множество корректировок, дополнительно усложняющих данную задачу). Плоский расчет значительно проще, позволяет оперативно учитывать корректировки, при этом задача геотехника – корректно определить величину горного давления и деформации, реализующиеся до устройства крепи тоннеля. Для учета данного фактора в Plaxis 2D есть так называемый β-метод. Суть метода состоит в том, что начальные напряжения p_k, существующие в области строительства тоннеля, делятся на две группы: напряжения (1- β)p_k, дейтвующие на неукрепленную часть тоннеля, и напряжения βp_k, действующие на его укрепленную часть (рис.1). В данном материале представлена методика определения величины β.

Рис. 1. Схематическое представление β-метода для расчета тоннелей в плоской постановке

В качестве объекта рассмотрим транспортные тоннели №5/5а Дублера Курортного проспекта, расположенные в Центральном районе города Сочи под плотной жилой застройкой и автомобильными дорогами.

Длина тоннеля №5 – 670,5м, тоннеля №5а – 695,7м. Глубина заложения тоннелей до 55 м. Строительство тоннелей велось с 2010 по 2013 г.

Рис. 2. План тоннелей

Инженерно-геологические условия площадки строительства

Геологический разрез зоны тоннелей представлен отложениями сочинской свиты, представленной аргиллитами низкой прочности, размягчаемыми в воде, перекрытыми с поверхности толщей техногенных, делювиально-оползневых и элювиальных грунтов. Участок расположен на юго-восточной периферийной части стабилизировавшегося оползня №600. Расчетная сейсмичность площадки 9 баллов.

Первоначально полученные геологические изыскания не позволяли выполнять расчеты в рамках численного моделирования (рис.3). При данных параметрах расчеты могли быть выполнены только классическими методами строительной механики (режим заданных нагрузок). Однако классическая теория расчета тоннелей не может учесть важные моменты строительства (обоснование технологии проходки тоннеля, расчет устойчивости забоя, оценка влияния строительства и т.д.). Поэтому возникла необходимость корректировки изысканий. В расчетах использовались модели грунта Хек-Брауна и упругопластическая модель с применением модуля деформации по ветви первичного нагружения и разгрузки. Как следствие, требовались параметры, необходимые для использования данных моделей грунта.

В лаборатории определялись деформационные и прочностные свойства полускальных пород, вмещающих тоннель, в приборах трехосного и одноосного сжатия.

В процессе проходческих работ постоянно выполнялся визуальный контроль забоя, определялись прочностные параметры массива, по данным геофизического зондирования определялась характеристическая прочность и категория устойчивости массива. Кроме того, выполнялся расчет устойчивости массива согласно классификации Бенявски.

По факту вышеизложенной актуализации инженерно-геологических изысканий результаты первоначальных расчетов (в первую очередь технологическая схема проходки тоннелей и параметры крепления выработок) существенно изменились.

Рис. 3. Выкопировка из первоначального отчета по инженерно-геологическим изысканиям

Рис. 4. Продольный профиль тоннеля из первоначального отчета по инженерно-геологическим изысканиям

Рис.5. Актуализация изысканий. Образец аргиллита, подготовленный к трехосным испытаниям

Рис.6. Актуализация изысканий. Образец аргиллита после разрушения в сдвиговом приборе

Рис.7. Модуль деформации аргиллитов разной степени прочности и трещиноватости по ветви первичного нагружения варьировался в диапазоне 47…210 МПа

Рис.8. Модуль деформации аргиллитов разной степени прочности и трещиноватости по ветви разгрузки варьировался в диапазоне 85…315 МПа

Рис.9. Расчет устойчивости массива согласно классификации Бенявски и математическая обработка полученных данных

Технологическая схема проходки тоннелей

Так как инженерно-геологические условия по длине тоннелей значительно менялись, технологические параметры проходки и крепления тоннелей также существенно корректировались. В процессе проходки тоннелей использовались 7 типов временной крепи (один из типов представлен на рисунке 10).

Основные этапы строительства показаны на рисунках 11-13.

Рис.10. Тип временного крепления тоннеля на участках неустойчивых грунтов

Рис.11. Разработка породы калотты

Рис.12. Разработка ядра и штросс

Рис.13. Готовый тоннель

Численное моделирование

Для демонстрации численного моделирования, реализованного в Plaxis 2D/3D, представлены результаты расчета тоннеля в плоской и пространственной постановках на одном из характерных участков тоннеля.

Рис.14. Расчетная схема тоннелей на одном из характерных участков

Первая серия расчетов

В первой серии расчетов выполняется плоское моделирование без учета β-метода, т.е. крепь тоннеля полностью воспринимает горное давление. Для исключения взаимовлияния тоннелей разработка параллельного тоннеля 5а не рассматривается.

Рис.15. Полные перемещения расчетной модели при разработке калотты

Рис.16. Основные результаты при разработке калотты

Рис.17. Основные результаты при разработке полного сечения тоннеля

Результаты первой серии расчетов

Таблица 1. Основные результаты первой серии расчетов