Расчет обделок некруговых тоннелей мелкого заложения, сооружаемых с применением инъекционного укрепления пород

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

П, м о"т м3/с Т0"н ЛТ, ен, сутки Тпрод ^венті Руб ^холоді РубЗКСПЛЧ Руб
Год предварительного накопления холода
10,04 9,43 11. 12 92 — 3403,44 — 124 742,52
Первый год эксплуатации
12,36 1. 12 100 13. 03 8327,22 113 011,86
где оптимизируемыми параметрами являются глубина заложения камеры Б (м), параметры вентиляции в год предварительного накопления холода (расход воздуха 00вен (м3/с), начальное время Т0вен, (дата), продолжительность ЛТ0вен, (сутки)), параметры вентиляции в первый год эксплуатации (расход воздуха ОееИ (м3/с), начальное время Твен (дата), продолжительность АТееИ (сутки)), время занесения продукта Т"род (дата). Результаты исследований приведены в таблице.
Проведем анализ полученных результатов расчета оптимальных параметров. Оптимальная глубина заложения подземного холодильника равна 10 м. Необходимо провести предварительное накопление холода зимой с расходом 9,43 м3/с в течение 92 суток. Вентилятор начинает работу 11 декабря. Через 3 месяца вентилятор отключают и закрывают до следующей зимы (холодильник без продукта). Расходы на предварительную хладозарядку составили 3403,4 руб. Согласно расчетам следующую зимнюю хладозарядку надо начинать
1. Кирин Б. Ф., Ушаков К З. Рудничная и промышленная аэрология. — М.: Недра, 1983. — 256 с.
2. Крылов Ю. С., Пирог П. И, Васютович В. В., Карпов А. В., Дементьев А. И. Проектирование холодильников. — М. :
Пищевая промышленность, 1972. — 310 с.
с 1 декабря при расходе воздуха 12,36 м3/с. Через 100 суток, т. е. 13 марта прекращают подачу атмосферного холодного воздуха и заносится замороженный продукт для хранения. При этом затраты на зимнюю вентиляцию составили 8327,22 руб., а затраты на выработку искусственного холода летом для поддержания необходимой температуры в камере с продуктом равны 113 011,86 руб. Общие затраты (с учетом предварительной хладозарядки) составили
124 742,52 руб., что на 40% ниже затрат на хранение этого продукта в рефрижераторах.
В силу того, что в массиве горных пород вокруг камеры идет прогрессивное накопление холода, при эксплуатации подземного холодильника затраты на выработку искусственного холода летом с каждым годом снижаются.
Таким образом, оптимизация параметров температурного режима подземного холодильника позволяет существенно сократить эксплуатационные затраты на летнее хранение замороженного продукта.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Хэзфилд Р., Кирби Л. и др. Искусство программирования на С. Фундаментальные алгоритмы, структуры данных и примеры приложений. — Киев: ДиаСофт, 2001. — 736 с.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Хохолов Юрий Аркадьевич — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Романова Елена Константиновна — мл. научный сотрудник,
ИГДС им. Н. В. Черского СО РАН.
Ъ---------
-------------------- © П. В. Деев, 2004
УДК 622. 28 П.В. Деев
РАСЧЕТ ОБДЕЛОК НЕКРУГОВЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ, СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНЪЕКЦИОННОГО УКРЕПЛЕНИЯ ПОРОД*
Семинар № 14
Существующие в настоящее время аналитические методы расчета круговых обделок тоннелей мелкого заложения [3−4, 6, 89] позволяют учитывать действие собственного веса пород, веса зданий и сооружений на поверхности, нагрузок от движения транспорта на поверхности и наличие вокруг выработки зоны пород, подвергшихся действию инъекционного укрепления. Существуют также методы расчета обделок некруговых тоннелей глубокого заложения, в том числе — сооружаемых с укрепительной цементацией пород [7]. Указанные методы основаны на современных представлениях механики подземных сооружений о совместной работе обделки и массива пород как элементов единой деформируемой системы.
На кафедре механики материалов Тульского государственного университета разработаны аналогичные методы расчета обделок тоннелей мелкого заложения, имеющих произвольную форму поперечного сечения, в том числе — сооружаемых с применением инъекционного укрепления грунта, на различные виды нагрузок и воздействий. В данной статье предлагаются методы расчета обделок тоннелей произвольной формы поперечного сечения на действие собственного веса пород и веса зданий и сооружений на поверхности.
Предлагаемый метод позволяет учитывать предварительное инъекционное укрепление пород, осуществляемое с поверхности или из забоя выработки- при этом предполагается, что инъекционное укрепление не оказывает непосредственного влияния на напряженное состояние массива пород, а выражается только в изменении деформационных свойств некоторой зоны пород вокруг выработки.
Рассматривается плоская задача теории упругости о двухслойном кольце произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепляющем отверстие в весомой полуплоскости. Учитывая, что задача имеет линейный характер, а смещения малы по величине, можно считать, что напряжения в обделке тоннеля, обусловленные действием нескольких зданий или сооружений на поверхности, равны сумме напряжений, возникающих от действия каждого здания в отдельности. Поэтому достаточно получить решение задачи определения напряженного состояния обделки тоннеля при действии веса одного здания, а напряжения в обделке тоннеля от действия веса нескольких зданий определять путем суммирования значений напряжений, полученных при действии каждого из рассматриваемых зданий в отдельности.
Расчетная схема задачи представлена на рис. 1.
Полубесконечная линейно-деформируе-мая среда с модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона V 0, моделирующая массив пород, деформируется совместно с двухслойным кольцом произвольной формы, внутренний СЛОЙ2 которого моделирует обделку
тоннеля, а внешний 51 — зону, в которой деформационные свойства грунта изменились вследствие инъецирования. Материалы слоев
кольца 51 и 5*2 имеют деформационные характеристики соответственно Е-1, V! И Е2 ,
V 2.
*Работа поддержана грантом А03−2. 13−23.
Рис. 1. Расчетная схема
На линиях контакта и Ь1 выполняются
условия непрерывности векторов полных смещений и напряжений, внутренний контур
2 свободен от действия внешних сил.
Кольцо 51 + 52 расположено на расстоянии н от границы полуплоскости. Начало координат выбирается приблизительно в центре окружности, описанной вокруг выработки.
Собственный вес грунта моделируется наличием в средах 5 и 5 поля начальных на-
аУ)(0) = - у) — а1
х"(0) = 0 с/=0,1) —
пряжении
*" & quot- 0)(0) = -а*у (Н — у) —
(1)
где X — коэффициент бокового давления в ненарушенном массиве- у — удельный вес материала сред 50 и 51- & lt-Х — корректирующий множитель, введенный для приближенного учета влияния отставания возведения обделки тоннеля от забоя выработки.
*
Коэффициент (X может быть найден по эмпирической формуле [2] а* = 0. 6ехр (-1. 38/0 / Я), (2)
где Я — средний радиус выработки — величина, зависящая от формы и размеров выработки
в проходке, м- /0 — отставание возведения обделки тоннеля от забоя выработки, м.
Действие веса здания или сооружения на поверхности моделируется наличием на участке поверхности равномерно распределенной силы Р.
Рассматриваются два возможных случая -когда тоннель проходится под уже построенным зданием, и когда здание возводится вблизи существующего тоннеля. В первом случае не учитываются смещения, вызванные весом
*
здания, во втором случае коэффициент, а полагается равным единице, поскольку отставание возведения обделки от забоя выработки не оказывает влияния на напряженное состояние обделки тоннеля, обусловленное действием веса здания.
Для приближенного учета конечного размера здания или сооружения в направлении оси тоннеля вводится корректирующий множитель к, который определяется по формуле:
(3)
™. — -о* *, 1 I
, 1 2 (,. А
к = 1 -I агйеА---------
1 + А2
где, а = Н ~1 — I — расстояние от начала коор-а
динат до верхней точки внешнего контура обделки, 2а — размер здания в направлении продольной оси тоннеля.
Коэффициент к определяется отношением максимальных вертикальных напряжений, возникающих в сплошной полуплоскости на уровне свода тоннеля от нагрузки шириной 2а и от бесконечной нагрузки, соответствующей условиям плоской задачи.
Решение задачи получено с использованием теории аналитических функций комплексного переменного, аналитического продолжения комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили [5], регулярных в нижней полуплоскости, в верхнюю полуплоскость [1], аппарата конформных отображений и комплексных рядов.
На основе полученного решения разработан комплекс компьютерных программ, позволяющий определять напряжения в обделке тоннеля, обусловленные собственным весом пород и действием веса зданий или сооружений на поверхности.
Рис. 2. Расчетная схема рассматриваемого тоннеля
Ниже приводятся результаты расчета обделки тоннеля, сооружаемого вблизи здания. Рассматривается тоннель, форма и размеры поперечного сечения которого приведены на рис. 2.
Здание имеет длину 2a = 120 м (вдоль оси тоннеля), и ширину ь — о, = 12 м. Вес здания моделируется нагрузкой интенсивностью Р = 0,02 МПа/м.
Исходные данные для расчета следующие: деформационные характеристики грунта Е0 = 100 МПа, у 0 = 0,3, зоны упрочненных
пород — Е1 = 250 МПа, У1 = 0,3, деформационные характеристики обделки Е2 = 30 000 МПа, V 2 = 0,2, объемный вес грунта у =
0,025 МПа/м3, расстояние от оси симметрии тоннеля до середины здания Ь = 8 м, коэффициент бокового давления X = 0,43. Отставание обделки от забоя принималось равным / = 1 м, средний радиус внешнего контура
Я = 1,87 м. Коэффициент а* полагался равным единице при расчете на действие веса здания, возводимого после проведения тоннеля, а при расчете на собственный вес и действие веса здания, уже существовавшего до сооружения тоннеля определялся по формуле (2)
-0,553
(-0,609)
* А /С -1,38/1,87
а = 0,6е = 0,27-
(4)
На рис. 3 приведены эпюры напряже-
О")
нии, действующих на внутреннем контуре поперечного сечения обделки рассматриваемого тоннеля. Сплошными линиями показаны напряжения, соответствующие случаю, когда тоннель проходится с применением инъекционного укрепления грунта, пунктирной -без применения (значения соответствующих напряжений даны в скобках).
Из рис. 3 а видно, что в случае применения инъекционного укрепления грунта напряжения
Од"), действующие в обделке, меньше, чем в
случае, когда тоннель сооружался без применения инъекционного укрепления. В обоих случаях максимальные сжимающие напряжения на 6%, а максимальные растягивающие -на 11% меньше соответствующих напряжений, действующих в обделке тоннеля, сооружаемого без применения инъекционного укрепления.
На рис. 4 приведены зависимости максимальных растягивающих (положительных) и сжимающих (отрицательных) напряжений
Од ехГ на внутреннем контуре поперечного сечения обделки от глубины заложения тоннеля
Н. Сплошные и пунктирные линии соответствуют случаям, когда тоннель сооружался с применением инъекционного укрепления пород, и когда инъекционное укрепление не применялось.
Из рис. 4 видно, что с увеличением глуби-,^(г")
ны заложения напряжения О0 ехГ увеличива-
I"
0 ех& amp- '-¦
. -0,396
(-0,412)
_ -1,536
(-1,634)
ются. Экстремальные напряжения О
действующие в обделках тоннелей, сооружаемых с применением инъекционного укрепления пород, на 5−6% (сжимающие) и на 10−12% (растягивающие) меньше аналогичных напряжений, возни-
(ш)
Рис. 3. Напряжения, МПа на
внутреннем контуре поперечного сечения обделки тоннеля: а — тоннель сооружается под уже построенным зданием, б — здание возводится над существующим тоннелем
а
. (1П)
МПа
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5



0.5 1 1.5 2 2.5 3






А, м
_0″)
Рис. 4. Зависимости напряжений О 0 ех/т глубины заложения тоннеля: а — тоннель сооружается под уже построенным зданием, б — здание возводится над существующим тоннелем
а
О")
'-0 ехГ. Так, при увеличении толщины зоны
укрепленных пород от 0 до 1,0 м максимальные сжимающие напряжения уменьшаются на 6%, а максимальные растягивающие — на 11% во всех рассмотренных случаях. Дальнейшее
Л*, МПа 2
1…
0 05 1 15 2 25 31. М
-1
-2
-3
-4
-5


0.5 1 1.5 2 2.5 3


¦

а
кающих в обделке тоннеля, сооружаемого без применения инъекционного укрепления.
На рис. 5. приведены зависимости экстре-('-«)
мальных напряжении ех1г от расстояния
Д1 между верхней точкой контура выработки и верхней точкой зоны пород, подвергшихся инъекционному укреплению. Сплошной линией показаны напряжения в обделке тоннеля, расположенного на глубине Н = 6 м, пунктирной — на глубине Н = 10 ми штрихпунк-тирной — Н = 15 м.
Из рис. 5. видно, что с увеличением толщины зоны укрепленных пород в поперечном сечении обделки рассматриваемого тоннеля уменьшаются экстремальные напряжения
б
увеличение толщины зоны упрочненных пород до 3 м во всех случаях, кроме случая Н = 6 м приводит к незначительному уменьшению (~
1 П / ^ ('-«)
1%) экстремальных напряжении ех/г. В
случаях, когда глубина заложения тоннеля Н = 6 м, максимальные сжимающие напряжеНИЯ При увеличении величины Д] с 1,0 до 3,0 м снижаются на 5% и 13% соответственно в случаях, когда тоннель сооружается под уже построенным зданием, и когда здание возводится над существующим тоннелем- уменьшение максимальных растягивающих напряжений в указанных случаях составляет около 1%.
На рис. 6 приведены зависимости экстре-
('-«) Т
мальных напряжении Сд ех1г от расстояния Ь между осью симметрии поперечного сечения
('-»)
Рис. 5. Зависимости напряжений О 0 ех/г от величины Д1: а — тоннель сооружается под уже построенным
зданием, б — здание возводится над существующим тоннелем
тоннеля и центром нагрузки, моделирующеи действие веса здания. Сплошные линии соответствуют случаю, когда тоннель сооружается с применением инъекционного укрепления пород, пунктирные — случаю, когда тоннель сооружается без применения инъекционного укрепления.
Видно, что в точке Ь «6 м (т.е. когда край нагрузки, моделирующей действие веса здания,
1. Араманович И. Г. Распределение напряжений в упругой полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием// Доклады А Н СССР, № 104 (3). -1955. — с. 372−375.
2. Булычев Н. С. О расчете обделок тоннелей в очень слабых грунтах// Проблемы подземного строительства в XXI веке. Труды международной конференции. Тула, Россия 25−26 апреля 2002 г. — Тула: Изд. ТулГУ, 2002. -С. 35 — 37.
3. Булычев Н. С., Демин Н. Н., Макаров В. В. Расчет обделок напорных коллекторных тоннелей вблизи влияния земной поверхности// Шахтное строительство, N9. -1984. — с. 18−19.
4. Гончаров Г. В. Расчет крепи коллекторных тоннелей на несимметричную поверхностную нагрузку// Механика подземных сооружений. — Тула, 1988. — с. 126 130.
5. Мусхелишвили Н И Некоторые основные задачи математической теории упругости. — М.: Наука, 1966
6. Фотиева Н. Н. Аналитические методы расчета обделок тоннелей мелкого заложения// Подземное
_0'-и)
Рис. 6. Зависимости напряжений О 0 от Рас~
стояния до центра здания: 1, 2 — соответственно максимальные растягивающие и максимальные сжимающие напряжения в случае, когда здание возводится после сооружения тоннеля- 3, 4 — соответственно максимальные растягивающие и максимальные сжимающие напряжения в случае, когда здание уже существует при строительстве тоннеля
находится над центром тоннеля) графики зависимостей напряжений г от расстояния до
центра здания имеют экстремум. На графиках
1, 2 экстремум выражен наиболее сильно, поскольку в случае, когда здание сооружается над существующим тоннелем, отставание возведения обделки от забоя выработки не оказывает влияния на напряженное состояние обделки тоннеля, обусловленное весом здания на поверхности.
------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
строительство России на рубеже XXI века. Труды юбилейной научно-практической конференции. Москва, 1516 марта 2000. — с. 123−132.
7. Хренов С. И., Климов Ю. И. Определение напряженного состояния обделки тоннеля некругового поперечного сечения, сооружаемого с применением укрепительной цементации пород, при распространении длинных сейсмических волн заданного направления// Геомеханика. Механика подземных сооружений. Сборник научных трудов. — Тула: Изд. ТулГУ, 2001. -с. 177 — 188.
8. Fotieva, N.N., N.S. Bulychev, L.N. Antziferova. Designing multi-layer lining of shallow tunnels// Proceedings of the World Tunnel Congress'98 on Tunnels and Metropolises Sao Paulo /Brazil/ 25−30 April, Rotterdam: Balkema p. 293−298
9. Fotieva N.N., Bulychev N.S., Sammal A.S. Design of shallow tunnel linings// Proceedings of the ISRM International Symposium Eurock'96: Rotterdam: Balkema, 1996. -p. 677−680.
— Коротко об авторок -------------------
Деев П. В. — Тульский государственный университет.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой