Аналитическое определение напряженно-деформированного состояния грунтового массива при проходке

Введение. Одним из эффективных подходов к оценке влияния от тоннелепроходческих работ является комплексный подход к решению задач, включающий определение давления пригруза для обеспечения устойчивости забоя и оценку дополнительных перемещений дневной поверхности, возникающих в процессе строительства тоннелей. Данный подход обоснован тем, что фактические перемещения могут быть близки к прогнозируемым при условии подбора оптимального давления пригруза и отсутствия лобового перебора, который может привести к непредвиденным деформациям. Однако следует отметить, что методика расчета давления пригруза, представленная в современном стандарте, служит предварительным прогнозом и требует постоянной корректировки давления во время выполнения тоннелепроходческих работ.

Материалы и методы. Адаптирована постановка задачи Мелана с горизонтальной нагрузкой, параллельной поверхности, для оценки изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива перед забоем тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) от приложения грунтопригруза. Постановка задачи соответствует этапу производства работ перед выемкой грунта для установки сборного железобетонного кольца обделки в проектное положение.

Результаты. По сформированным аналитическим уравнениям в программной среде MathCAD составлены изополя вертикальных, горизонтальных напряжений и вертикальных деформаций. Проведено сопоставление полученных изополей с изополями, которые были построены в ПК Plaxis 2D с аналогичными параметрами для проверки достоверности результатов. Дополнительно получены изополя грунтового массива при действии на него давления пригруза с учетом напряжений от собственного веса грунта с целью создания более правдоподобного НДС массива, в котором прокладывается перегонный тоннель.

Выводы. Анализ результатов исследования показал, что изополя количественно и качественно схожи между собой. Предложенный метод при соответствующей модификации можно адаптировать для корректировки давления пригруза в ходе строительства, что необходимо как для обеспечения устойчивости забоя в ходе строительства тоннеля, так и для минимизации влияния на поверхность грунта от пригруза.

1. Мазеин С.В., Вознесенский А.С. Опыт тоннельной щитовой проходки с гидропригрузом // Метро и тоннели. 2019. № 1. C. 14–17. EDN PPYGWR.

2. Протосеня А.Г., Беляков Н.А., Тхай Д.Н. Разработка метода прогноза давления пригруза забоя и осадок земной поверхности при строительстве тоннелей механизированными проходческими комплексами // Записки Горного института. 2015. Т. 211. С. 53–63. EDN TQMGPV.

3. Протодьяконов M.М. Давление горных пород на рудничную крепь // Горный журнал. 1907.

4. Ter-Martirosyan A.Z., Cherkesov R.H., Isaev I.O., Shishkina V.V. Surface settlement during tunneling: field observation analysis // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Issue 19. P. 9963. DOI: 10.3390/app121-99963

5. Тер-Мартиросян А.З., Черкесов Р.Х., Исаев И.О., Рудь В.В. Фактическое значение коэффициента перебора для тоннелей в дисперсных и скальных грунтах // Жилищное строительство. 2023. № 9. C. 61–73. DOI: 10.31659/0044-4472-2023-9-61-73. EDN UBBWQA.

6. Horn N. Horizontal earth pressure on perpen-dicular tunnel face // Proceedings of the Hungarian National Conference of the Foundation Engineer Industry. 1961.

7. Janssen H.A. Versuche tiber Getreidedruck in Silozellen // Zeitschrift des Vereins deutscher lngenieure. 1895. Vol. 35. Pp. 1045–1049.

8. Фрид М. Результаты опытов давления зерна на дно и стены глубоких сосудов // Мукомольно-пищевая промышленность. 1890. С. 921–933.

9. Anagnostou G., Kovari K. Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields // Tunnelling and Underground Space Technology. 1996. Vol. 11. Issue 2. Pp. 165–173. DOI: 10.1016/0886-7798(96)00017-x

10. Anagnostou G. The contribution of horizontal arching to tunnel face stability // Geotechnik. 2012. Vol. 35. Issue 1. Pp. 34–44. DOI: 10.1002/gete.201100024

11. Leca E., Dormieux L. Upper and lower bound solutions for the face stability of shallow circular tunnels in frictional material // Géotechnique. 1990. Vol. 40. Issue 4. Pp. 581–606. DOI: 10.1680/geot.1990.40.4.581

12. Yuan S., Feng D., Zhang S., Xing Y., Ke Z. Stability analysis of shield tunnel face considering spatial variability of hydraulic parameters // Rock and Soil Mechanics. 2022. Vol. 43. Issue 11. Pp. 3153–3162. DOI: 10.16285/j.rsm.2021.2200

13. Chang Y., Cao P., Zhang J., Fan Z., Xie W., Liu Z. et al. Face stability of tunnel in multi-stratum: limit analysis and numerical simulation // Geotechnical and Geological Engineering. 2023. Vol. 41. Issue 5. Pp. 3203–3215. DOI: 10.1007/s10706-023-02453-1

14. Wang W., Liu H., Deng R., Wang Y. Active stability analysis of 3D tunnel face in nonhomogeneous and anisotropic soils // Geotechnical and Geological Engineering. 2023. Vol. 41. Issue 5. Pp. 3013–3033. DOI: 10.1007/s10706-023-02442-4

15. Melan E. Der Spannungszustand der durch eine Einzelkraft im Innern beanspruchten Halbscheibe // ZAMM — Journal of Applied Mathematics and Mechanics. Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 1932. Vol. 12. Issue 6. Pp. 343–346. DOI: 10.1002/zamm.19320120603

16. Airy G.B. On the strains in the interior of beams // Proceedings of the Royal Society of London. 1863. Vol. 12. Pp. 304–306. DOI: 10.1098/rspl.1862.0068

17. Hanna A.M., Hadid W.H. New models for shallow foundations // Mathematical Modelling. 1987. Vol. 9. Issue 11. Pp. 799–811. DOI: 10.1016/0270-0255(87)90500-8

18. Тер-Мартиросян А.З., Тер-Мартиросян З.Г., Лузин И.Н. Напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов глубокого заложения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2017. Т. 8. № 2. С. 96–103. DOI: 10.15593/2224-9826/2017.2.09. EDN YYZKHJ.

19. Ter-Martirosyan Z.G., Vanina Y.V. Impact of a deep foundation on enclosing wall structure of excavation // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1928. Issue 1. P. 012004. DOI: 10.1088/1742-6596/1928/1/012004

20. Hu Q. Retaining structure force-deformation analysis model for an ultradeep foundation pit // Mathematical Problems in Engineering. 2013. Vol. 2013. Pp. 1–18. DOI: 10.1155/2013/549491

21. Зерцалов М.Г., Казаченко С.А. Численно-аналитический метод инженерной оценки влияния разработки котлована на перемещения прилегающего к нему грунтового массива с учетом жесткости ограждающей конструкции // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27. № 3. С. 396–409. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2021.27.03.396_409.07. EDN FPQJTC.