Определение оптимальной схемы раскрытия забоя при строительстве транспортных тоннелей в пластичных породах

При строительстве и проходке транспортных тоннелей большого поперечного сечения [1, 2, 3, 4, 5] обычно используют поэтапные схемы проходки для повышения скорости строительства и увеличения устойчивости пород массива вокруг тоннеля. Особенно при строительстве тоннелей в средних и мягких породах эта задача обладает большим значением. Однако выбор и определение соответствующей схемы для увеличения эффективности проходки и устойчивости тоннелей является сложной задачей. При поэтапной проходке определение площади каждого забоя тоже необходимо учитывать. Первое место опережающего забоя зависит от геологических условий и глубины заложения выработки также от характеристик используемых оборудовании. В настоящее время с развитием компьютерной науки и техники, численный метод нашел более широкое применение в процессе решения геотехнических задач. В данной статье показано определение оптимальной схемы раскрытия забоя транспортных тоннелей на основе численного метода по программе Plaxis 3D [6]. Рассматриваемая проблема также является основой для проектирования проходки и выбора конструкции транспортных тоннелей.

Для решения такой задачи были приняты следующие исходные данные: глубина заложения выработки - 18м, ширина тоннеля 10м, высота 8м, и свойства пород как в табл. 1. При проходке тоннеля используется временную крепь с набрызгбетоном 5см (см. табл. 2). Однако если породы в забое разрушаются сразу после проходки, то на контуре опережающего забоя необходимо закрепить и увеличить крепь.

Таблица 1.

Свойства пород для задачи.

модель материала свойства объемный вес пород - у unsat объемный вес пород и вода - у sat высота градиента фильтрации к x по горизонтальную к y модуль упругости E коэффициент Пуассона ц сила сцепления с угол внутреннего трения ф

Mohr Coulomb без воды 20 kН/м3 22 kН/м3 1.10-4 м/сут 1.10-4 м/сут 200000 kН/м2 0,25 25 kН/м2 350

Таблица 2.

Свойства конструкции набрызгбетона.

свойства материал нормальная крепость EA прочность на выгиб EI толщина крепи d вес крепи w коэффициент Пуассона ц

упругость 3.106 kН/м 620 kНм2/м 5см 8,4 kN/м/м 0,15

При проходке по схеме 1 : Сначала проходит забоя I на кровле проектного тоннеля, в следующем этапе проходят два забоев II из бока проектного тоннеля и последовательном этапе ядра III как на рис. 1.

Рис 1. Теоретическая схема 1

С помощью по программе Plaxis 3D позволяет моделировать эту задачу, также результаты распределения напряженно-деформированного состояния пород вокруг тоннеля показаны как на (рис. 2).

а) Распределение напряжения вокруг тоннеля при разных этапах.

б) Распределение деформации вокруг тоннеля при разных этапах.

Рис. 2. Результаты анализа по схеме 1.

При проходке по схеме 2 : в этом случае на первом этапе проходит забоя I из двух боков, в следующем этапе - забой II в кровле, и ядро III (рис. 3). В результате полученных результатов распределения напряженно-деформированного состояния пород вокруг тоннеля с поэтапной проходке показаны на (рис. 4).

Рис. 3. Теоретическая модель.

а) Распределение напряжения вокруг тоннеля при разных этапах.

б) Распределение деформацими вокруг тоннеля.

Рис 4. Результаты анализа по схеме 2.

При проходке по схеме 3:

В этом случае используется проходческая схема от забоя в кровле проектного тоннеля I, затем - бока, следующий этап - ядро, схема анализа показана (рис. 5). После анализа полученные результаты распределения напряженно-деформированного состояния вокруг проектного тоннеля при разных проходческих этапах по схеме 3 показаны на рис. 6.

Рис. 5. Теоретическая схема двух забоев из бока по схеме 3.

а) Распределение напряжения вокруг тоннеля.

б) Распределение деформацими вокруг тоннеля. Рис 6. Результаты анализа по схеме 3.

Значения деформаций в своде проектного тоннеля при различных сечении тоннеля и разных проходческих этапах показаны в табл. 3. Реузультат зависимости деформации в своде проектного тоннеля от разных этапах показана на рис 7.

Таблица 3.

Значения деформации в своде проектного тоннеля

1	Не проходки	этап 1	этап 2	этап 3
2	0	0,00938	0,00812	0,00776
3	0	0,00828	0,00804	0,00693
4	0	0,01044	0,00832	0,00776

Проходческие этапы на продольном разрезе тоннеля

Рис. 7. Деформации в кровле проектного тоннеля в разных этапах.

Результаты на рис 7 показывают, что использование поэтапной схемы проходки является важной задачей для повышения устойчивости и скорости проходки тоннелей в целом. После анализа по программе Plaxis 3D очевидно, что схемы 2 является оптимальным. В этой схеме первый этап проходят двумя забоями из боков, деформация в схеме 1 равна 8 xy = 7,76.10-3м и в схеме 2 - 8xy = 6,93.10-3м, в схеме 3 - 8xy = 7,76.10-3м (см. рис 7). Однако на практике нам нужно ознакомиться с характеристиками вспомогательного оборудования, применяющегося в разных забоях. Хотя модель имеет ограничения, но эта проблема является основой для выбора соответствующей схемы проходки транспортных тоннелей большого поперечного сечения.