Главная
ДонНТУ
Портал
магистров ДонНТУПоисковая система ДонНТУ |
| Пиляева Наталья Владимировна |
|
Автобиография Автореферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальное задание 
|
Факультет: "Горно геологический" Специальность: "Маркшейдерское дело" Тема магистерской: "Особенности деформирования тоннелей Донецкого метро на участках перехода геологических нарушений и участках, подработанных очистными работами." Научный руководитель: Проф. Назимко Виктор Викторович |
|
Разработка меропиятий по обеспечению устойчивости тоннелей в зоне влияния геологических нарушений и очистных работ.
B настоящее время сооружаются метрополитены в нескольких городах Украины: Киеве, Харькове, Днепропетровске, Донецке, в перспективе - строительство во Львове, Одессе, Луганске. Метрополитен в этих городах решит транспортную проблему, так как существующие виды транспорта уже не соответствуют имеющимся пассажиропотокам. Сооружение метро - сложный и многогранный процесс освоения подземного пространства, имеющий свои особенности в сравнении с проведением горных выработок. Особой сложностью отличается строительство метро в городе Донецке на территории Донецкого кряжа. Наличие тектонических нарушений, многообразие геологических особенностей и изменений в приделах небольших пространств - и все это на подработанных угольными шахтами территориях. Масштабного прецедента сооружения метро в подобных условиях мировая практика метростроения не дает. Тоннели метрополитенов строят в основном способами, которые можно объединить в две группы - закрытые (подземные) и открытые способы. Строительство Донецкого метрополитена осуществляется закрытым способом, который применяется при сооружении тоннелей глубокого и мелкого заложения. При этом все работы по строительству ведутся в подземных условиях. Для ведения проходческих работ и возведения тоннельных конструкций в подземных условиях в зависимости от горно-геологических условий и размеров тоннелей применяется бесщитовой способ, представляющий собой проходку с раскрытием полного сечения и установку крепи с помощью крепеукладчика. В практике отечественного подземного строительства транспортные тоннели рассматриваются как капитальные сооружения, расчитанные на длительный срок эксплуатации, не менее 100-150 лет. В течение этого периода они должны удовлетворять требованиям эксплуатационной надежности, обеспечивая безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность сооружения в целом и его составных частей, т.е. обеспечить способность сооружения выполнить заданные функции. Практика показывает, что в первые 10 лет эксплуатации тоннелей обычно никаких серьезных повреждений конструкций и эксплуатационного оборудования не возникает. Через 15-25 лет наблюдаются некоторые дефекты. По прошествии 50-70 лет отмечаются повреждения, являющиеся следствием неудачного проектирования и строительства, наростает старение материалов конструкций тоннеля, изменение в окружающем его грунте. В процессе эксплуатации подземные конструкции метрополитенов на отдельных участках претерпевают значительные изменения. За счет наличия уступов между блоками, неплотной забутовки или пустот за обделкой. Расчетная схема надежности для таких конструкций может быть принята в виде системы со случайными начальными погрешностями, в которой происходят временные изменения, обусловленные изменением нагрузок от расчетной схемы или старением материалов. Проведение выработок в горном массиве нарушает равновесие горных пород, в результате чего последние деформируются и сдвигаются. Обычно сдвижение пород достигает земно поверхности и она также претерпевает деформации. Сдвижение горных пород может происходить и под влиянием тектонических процессов, выщелачивания, водопонижения, изменения механических свойств пород. Таким образом, под сдвижением и деформациями горных пород и земной поверхности понимают их перемещение и деформирование в результате нарушения равновесия пород под влияниея горных разработок или различных естественных процессов. Сдвижение пород начинается обычно с прогиба кровли выработок, пройденных по пласту или залежи полезного ископаемого. По мере увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растет, в сдвижение вовлекается все большее число слоев, происходитсдвиг пород по плоскостям наплостования, в толще появляются секущие трещины и трещины расслоения, при этом слои непосредственной кровли разбиваются обычно на отдельные блоки и обрушаются. Под влиянием горных работ в движение приходят также породы почвы, испытывающие поднятие. Поднятие почвы и выдавливание ее в сторону выработанного пространства объясняется снятием с нее нагрузки от вышележащих пород и перераспределением горного давления. Чтобы обеспечить эксплуатационную надежность сооружений метрополитена в рассматриваемых условиях необходимо продолжить комплекс экспериментально-теоретических исследований.В области геомеханики с целями: - определения возможно точного местоположения и параметров тектонических нарушений и старых горных выработок по трассам перегонных тоннелей; - получения исходных данных по сдвижениям и деформациям подрабатываемых грунтовых массивов в окрестностях обделки на участке вне зон и в зонах тектонических нарушений и старых горных выработок; - установления оптимальных горных мер защиты, в том числе оптимальных размеров целиков для охраны сооружений или параметров систем разработок угольных пластов, снижающих их вредное воздействие.В областях механики подземных сооружений и строительных конструкций с целями: - разработки достоверной расчетной модели взаимодействия обделок с подрабатываемым грунтовым массивом, адекватно отражающей технологию проходки в нарушенном блочном массиве горных пород; - оптимального проектирования обделок на основе современных методов расчета, учитывающих нелинейные эффекты (физическую, геометрическую и конструктивную) в работе системы "обделка-подрабатываемый массив"; - разработки практически осуществимых эффективных строительных мер защиты, позволяющих частично компенсировать неравномерные воздействия за счет контролируемой податливости тоннелей в поперечном и продольном направлениях для возможности применения сборных конструкций, предназначенных для обычных условий эксплуатации, в том числе замены стальных и чугунных обделок на железобетонные; - разработки эффективных технологий безосадочной проходки тоннелей, обеспечивающих своевременный ввод обделки в работу в сложных горно-геологических условиях. В области влияния очистной выработки выделяют до 9 характерных зон. С боков выработанного пространства образуется зона нарушения угля и пород, распространяющаяся на 2-3 м, и зона повышения напряжений (опорного давления), обусловленная передачей на целик части веса зависающих над выработкой пород. Размеры зоны опорного давления зависят от перечисленных выше факторов и составляют от 10 до 240 м. Над выработанным пространством процесс деформирования охватывает, как правило, всю толщу пород вплоть до земной поверхности. Здесь исследователями наиболее часто выделяются 3 характерные зоны: обрушения, прогиба пород с разрывом сплошности в виде трещин, плавного прогиба пород без разрыва сплошности. Непосредственно над очистной выработкой располагается зона обрушения пород, высота которой не превышает 4-6 кратной мощности разрабатываемого пласта. Над зоной обрушения располагается зона прогиба пород с разрывом сплошности. Высота этой зоны равна 30-40 мощностям пласта. Далее следует зона прогиба пород без разрыва сплошности, распространяющаяся до земной поверхности. Инструментальные наблюдения за сдвижением толщи горных пород и земной поверхности показывают, что изменение напряженного состояния и сдвижение породного массива, вызываемые подземными горными работами, распространяются на значительные расстояния, нередко в несколько раз превышающие размеры выработок. Часть породного массива, подвергшуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдвижения горных пород, а участок земной поверхности, подвергшейся сдвижению - мульдой сдвижения. Для изучения деформирования стенок тоннеля в процессе строительства метрополитенов необходимо произвести эксперементальные наблюдения в области геологических нарушений, пересекающих трассу тоннеля. Необходимость выполнения этой работы обусловлена следующими обстоятельствами: 1.Сложные горно-геологические условия: - большая глубина; - наличие крупных дезьюктивных нарушений, которые выходят на поверхность, пересекая и наносы; - влияние ранее отработанных горных выработок, которые активизируют сдвижение толщи, в которой располагается тоннель; -мокрые погашения шахт (погашение с затоплением шахт подрабатывавших трассу тоннеля). Это обстоятельство порождает активизацию ранее подработанной толщи в процессе поднятия уровней вод и затопления трещин и пустот; - возможная активизация сдвижения вокруг тоннеля в процессе эксплуатации из-за негативного воздействия вибраций, порождаемых подвижным транспортом. Все перечисленные выше факторы могут негативно сказаться на устойчивости тоннеля активизировать сдвижение земной поверхности в зоне влияния тоннеля. В связи с тем, что поверхность густо-застроена промышленными, жилыми зданиями и имеет ж/д путепроводы аккумулирующие водосборники может нарушить их функционирование, что приведет к увеличению опасности и может ухудшить экологическую обстановку. 2.Объем работ по инструментальным наблюдениям весьма большей - в связи с большими размерами области, которая будет затронута этими сдвижениями. 3.Для того, чтобы обеспечить решение проблемы необходимо выполнить комплекс наблюдений : 1) измерение относительных деформаций контура тоннеля 2) нивелировка сводовой части тоннеля, рельсовых путей (2-3 профильных линий) 3)мониторинг давлений грунта ее коренных пород на основную крепь тоннеля 4) нивелировка профильных линий на земной поверхности. Частота замеров определяется положением подготовительного забоя относительно замерных станций. По мере отхода подготовительного забоя на расстояния 5 - 10 диаметров тоннеля необходимо проводить один раз в трое суток. При отходе до 100 диаметров измерения необходимо производить раз в один - две недели, затем раз в квартал. Нивелировку реже. Частота замеров определяется положением подготовительного забоя относительно замерных станций. По мере отхода подготовительного забоя на расстояния 5 - 10 диаметров тоннеля необходимо проводить один раз в трое суток. При отходе до 100 диаметров измерения необходимо производить раз в один - две недели, затем раз в квартал. Нивелировку реже. Количество подземных станций необходимо установить в количестве 5 штук. В результате проведения инструментальных наблюдений будут разработаны мероприятия по обеспечению устойчивости тоннеля и земной поверхности в зоне его влияния. Так как участок перегонного тоннеля станции "Красный Городок" - "Мушкетовская" пересекает Мушкетовский надвиг, который является одним из крупнейших тектонических нарушений Донецко - Макеевского района и его мощность зоны интенсивного изменения пород составляет по трассе 63 м. Мы имеем возможность провести соответствующие наблюдения за механизмом деформирования стенок тоннеля и деформациями на поверхности в области влияния геологических нарушений и очистных работ. Для проведения этих работ я произвела заложение двух наблюдательных станций в левом перегонном тоннеле в зоне влияния Мушкетовского надвига на кольцах №621, 622, 623 - наблюдательная станция №1 и на кольцах № 640, 641, 642 - наблюдательная станция №2. На каждом кольце были заложены металлические конструкции в виде болтов марки 10 по косым диаметрам колец в соответствии с инструкцией ВСН 160-69(Глава 14 Б пункты а, б) Также на поверхности были заложены репера соответственно над наблюдательными станциями по улице Краснооктябрьской. Заложенные репера №1, 2, 3, 4 представляют собой железные конструкции размерами 20 х 20 х 600 мм. На поверхности производится нивелирование III класса 1 раз в месяц. При значительном горном давлении возможны деформации временной крепи и постоянной тоннельной обделки. В постоянных сооружениях горное давление вызывает осадку свода тоннеля, сближение стен, выпучивание лотков и обратных сводов, эллиптичность обделки круглого очертания и пр. В неустойчивых грунтах горное давление вызывает трещины, а иногда и разрушение самой конструкции подземного сооружения. Указанные обстоятельства требуют организации тщательных наблюдений за деформацией подземных сооружений. Наблюдения производят регулярно и на всех этапах строительства. Для этой цели производятся периодическое нивелирование сводовой и лотковой части крепи и обделки и линейные измерения поперечных горизонтальных и косых (под 45 градусов) расстояний между точками намеченными на стенках сооружения. В настоящем техническом отчете освещены результаты маркшейдерских работ по наблюдению за деформациями обделки перегонных тоннелей на перегоне ст. "Красный городок" - ст. "Мушкетовская" в декабре 2005 г. отражены: - данные наблюдения за деформациями тоннельной обделки в хронологическом порядке, что дает возможность проследить динамику деформаций. Наблюдения деформаций в подземных сооружениях производятся от знаков маркшейдерской планово-высотной основы. Так как маркшейдерская планово - высотная разбивочная основа (полигонометрические знаки) располагаются непосредственно в строящихся тоннелях, возможна ее деформация, т.е. смещение центров знаков в плане и профиле. Маркшейдерская основа в тоннелях представлена висячими полигонометрическими и нивелирными ходами, поэтому возникает необходимость своевременного определения её деформаций и исключения их влияния на перспективное развитие сети. Все работы выполнены в соответствии с требованиями инструкции по геодезическим и маркшейдерским работам, при строительстве транспортных тоннелей (ВСН 160-69) и СНиП III-44-77,часть III, глава 44 "Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены". До начала производства наблюдений за деформациями пятикратных колец обделки тоннелей, выполнены работы по проложению контрольных ходов основной полигонометрии на поверхности и основной подземной полигонометрии по правому и левому тоннелям. Кроме того, проложены контрольные нивелирные ходы III класса точности, по ПЗ в правом и левом перегонных тоннелях. Контрольный нивелирный ход прокладывался в прямом и обратном направлениях, с замыканием на исходные пункты. Фактическая невязка хода составила: Допустимая невязка, рассчитывалась согласно инструкции по геодезическим и маркшейдерским работам, при строительстве транспортных тоннелей ВСН 160-69, глава 10, и составила:17,7мм.ВСН 160-69 установлена периодичность проложения таких ходов - 1 раз в полгода. Определение вертикальных деформаций тоннельной обделки прегонных тоннелей производилось нивелированием деформационных точек, накрашенных краской в сводовой части и лотке пятикратных колец, по передней их плоскости. Горизонт инструмента определялся относительно отметок двух полигонометрических знаков, и за окончательное значение принималось среднее значение из 2-х горизонтов инструмента, при условии их разности не более 3,0 мм. Кроме того, определялись деформации тоннельной обделки методом измерения эллиптичности колец по диаметрам 1-5; 2-6; 4-8 по накрашенным краской точкам. В случае отличия значений измеренных величин относительно предыдущих значений более 10 мм, выполнялись повторные измерения для их уточнения. Нумерация колец тоннельной обделки по обоим тоннелям начинается с ПК 62+0,00. Выполнение наблюдений деформаций зданий и сооружений, попадающих в зону возможных деформаций, предусмотрено требованиями СНиП III-44-77 "Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены", п. 2.19, "Инструкцией по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей" (ВСН 160-69), Глава 7. Деформации зданий и сооружений могут появиться в результате просадок поверхности земли над сооружаемыми перегонными тоннелями вследствие выполнения горных работ. Величины осадок зависят от глубины залегания сооружаемых тоннелей, геологических условий, скорости и способа ведения горных работ, своевременности заполнения неизбежных пустот между наружным контуром конструкции тоннелей и породным контуром и др. Глубина залегания перегонных тоннелей составляет 20,0-30,0 м. Породы представлены слабым, перемятым и выветрелым песчаником, алевролитом с крепостью по шкале проф. Протодьяконова от 2 до 5. Периодически встречается блочная структура залегания пород, которая обусловливает вывалы породы, объемом от 2 до 70,0 м3. Вывалы частично забучиваются породой, а затем производится тампонаж либо бетоном, либо цементно-песчаным раствором. Разработка породы производится буровзрывным способом. В процессе сооружения тоннелей монтируется сборная ж/б обделка Дн = 5,65 м.,Дн=6,00м. Переборы породы при этом способе разработки породы составляют от 10 до 30 см, которые как правило заполняются породой с уплотнением до К= 0,6-0,7. Заполнение пустот между наружным контуром конструкции тоннеля и породным контуром выполняется нагнетанием цементно-песчаного раствора. Контрольное нагнетание цементного раствора за конструкцию выработки выполняется с отставанием 50 м. Ширина возможной зоны деформаций, в границах которой выполнены наблюдения, установлена величиной 1,5 глубиной залегания подходных выработок (по каждую сторону от них) в соответствии с п. 7.03 ВСН 160-69. Все работы по наблюдению деформаций зданий и сооружений выполнены в соответствии с требованиями ВСН 160-69, глава 7. Перед началом выполнения наблюдений деформаций выполнены работы по рекогносцировке опорных и деформационных реперов.Деформационные реперы закреплены в фундаментах зданий в соответствии с требованиями ВСН 160-69, п.7.05. На топооснове масштаба 1: 500 нанесено проектное положение подходных выработок, фактические места расположения деформационных реперов в зданиях, границы возможной зоны деформаций. До производства горнопроходческих работ по сооружению подходных выработок и перегонных тоннелей выполнена закладка опорных реперов за границей зоны возможных деформаций. Между опорными реперами проложены нивелирные хода II класса точности в 2 руки. За окончательные значения отметок опорных реперов приняты средние их значения из 2-х рук при условии допустимых отклонений, оговоренных в п. 4.20 ВСН 160-69. Повторные определения отметок опорных реперов выполнялись с периодичностью 1 раз в полгода, что соответствует требованиям ВСН 160-69 п. 7.20.1.Лысиков Б.А., Розенвассер Г.Р., Шаталов В.Ф. "Строительство метрополитена и подземных сооружений на подработанных территориях"./Севастополь:"Вебер", 2003.-302с. 2. Проф.Стягун А.В. Конспект лекций 2006г. По дисциплине :"Маркшейдерские работы при метростроении". 3. "Mаркшейдерко -геодезическая техническая инструкция ВСН 160-69" |
