Расчетно-теоретический анализ несущей способности обделки с учетом реальных условий ее работы

26.05.2016

Нa участках тоннелей, где по результатам детального инструментального обследования техническое состояние обделки было предварительно признано неработоспособным, ее несущая способность должна быть оценена соответствующими расчетами. К опасным дефектам обделки, существенно снижающим ее несущую способность и требующим дополнительной расчетной проверки, рекомендуется относить ослабления (силовые трещины, выколы, участки с пониженной прочностью материала), имеющие длину вдоль тоннеля более пролета выработки. Специалисты научно-исследовательского центра «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС рекомендуют использовать следующую методику для проверки степени опасности выявленного дефекта обделки.
Вначале разрабатывают рабочую гипотезу распределения нагрузок, вызвавших обнаруженные дефекты, и производят ее расчетную проверку. Если расчет бездефектной обделки показывает, что рабочая гипотеза верна (т.е. дефект должен появиться при принятом сочетании нагрузок в месте обнаружения), то прогнозируют развитие дефекта на будущее, при неблагоприятном прогнозе разрабатывают меры по его устранению.
Современные методы расчета напряжений и соответствующие им программные комплексы позволяют с достаточной степенью достоверности оценить несущую способность обделки тоннеля и определить напряженно-деформированное состояние окружающего грунтового массива как и плоской, так и в объемной постановке задачи. Одним из таких методов является метод численного моделирования — метод конечных элементов.
Использование данного метода предусматривает разбивку грунтовой среды и обделки тоннеля на конечное число объемных элементов, что даст возможность в полной мере учитывать обнаруженные дефекты в обделке, нарушение плотного контакта с грунтом, наличие пустот за обделкой. При этом сравнительно легко моделируются вариации работы обделки при различных параметрах грунтового массива.
Так, с целью установления несущей способности бетонной обделки однопутного тоннеля и выявления категории ее технического состояния после многолетней эксплуатации были произведены расчеты с использованием метода конечных элементов. Выполнено несколько вариантов расчетов по расчетным моделям системы «обделка—грунтовый массив», соответствующим реальным условиям работы конструкции с учетом выявленных дефектов. Прочностные и деформационные характеристики материала конструкции и окружающего грунтового массива, геометрические параметры обделки, а также наличие трещин в бетоне принимались по результатам специального обследования.
Расчетно-теоретический анализ несущей способности обделки с учетом реальных условий ее работы

Результаты расчета, приведенные в табл. 7.3, соответствуют трем расчетным моделям, каждая из которых отвечает следующим условиям статической работы конструкции:
I — модуль деформации бетона ослабленной трещинами обделки по сравнению с проектными параметрами снижен на 20 %, модуль упругости ослабленного грунтовыми водами массива (дислоцированные обводненные мергели) — на 35 %;
II — при тех же характеристиках материала обделки и грунтового массива за обделкой образовалась линза разуплотненного грунта, модуль деформации разуплотненного грунта линзы снижен еще на 25 %;
III — в дополнение к условиям работы по варианту II в обделке появилась сквозная трещина на уровне питы свода.
В качестве примера, иллюстрирующего материалы, подлежащие оценке несущей способности обделки, на рис. 7.9 представлена картина деформированного состояния обделки при расчете по третьему варианту. Результаты расчета позволили оценить техническое состояние конструкции на обследованных участках как неработоспособное, что явилось основанием дли капитального ремонта по усилению обделки на этих участках.
Расчетно-теоретический анализ несущей способности обделки с учетом реальных условий ее работы

Одним из наиболее сложных вопросов, возникающих при проектировании реконструкции тоннелей, являются вопросы статического расчета усиленных или новых обделок, восстановленных после реконструкции. При этом расчетные модели также должны и наибольшей степени отражать характер нагрузок и воздействий, выявленных в результате специального обследования тоннеля. По сравнению с вновь строящимися тоннелями, особенности учета нагрузок и статического расчета обделок реконструируемых тоннелей на заданные нагрузки определяются единственным положением норм СНиП 32-04-97. п. 5.31, согласно которому в случае реконструкции тоннеля с полной заменой обделки нормативную нагрузку от горного давления на тоннель необходимо увеличить в 1,3 раза.
В общем случае грунты горного массива анизотропны, нелинейно деформируемы и обладают реологическими свойствами. В расчетах допускается использовать изотропные линейно деформируемые и упругопластические модели грунта. Для этих моделей и качестве деформационных параметров принимают модуль деформации и коэффициент Пуассона, а в качестве прочностных параметров для мягких грунтов — угол внутреннего трения и сцепление. для скальных грунтов — прочность на одноосное сжатие и прочность на одноосное растяжение.
Начальные (бытовые) напряжения в горном массиве при отсутствии результатов натурных исследований допускается определять приближенно по собственному весу и прочности фунта, глубине заложения тоннеля, а также по имеющимся данным о тектонике и морфологи и горного массива. При расположении тоннеля в неоднородных и анизотропных грунтах, при разветвлении тоннеля, изменении его сечения рекомендуется выполнять пространственный анализ напряженно-деформированного состояния системы «обделка—массив» по расчетным счетным схемам метода конечных элементов. Для участков тоннеля с более или менее однородными условиями по длине допускается использовать плоские расчетные модели.
Одной из распространенных расчетных моделей является стержневая система на упругом основании, представленном упругими опорами, находящаяся под воздействием заданных нагрузок (методика расчета Метропроекта). Другой распространенной расчетной моделью является модель, в которой грунт подчиняется законам механики сплошной среды - упругой или упругопластической, а тоннельную конструкцию (обделку или крепь) представляют стержневой системой, деформирующейся совместно со сплошной средой. Эта модель позволяет учесть свойства каждого слоя грунта, поэтапную технологию возведения крепи и постоянной обделки. Более универсальной следует признать модель, в которой и фунт и обделка представлены в виде двух сред, находящихся и силовом взаимодействии и подчиняющихся законам механики сплошных сред/
Для расчета тоннельных сооружений следует применять специализированные программные системы для инженерных расчетов строительных конструкций, прошедшие апробацию. В качестве расчетного аппарата для стержневой модели обделки (крепи) с упругими опорами рекомендуется использовать программы «РК-6» (Ленметрогипротранс), «Муссон» (Метрогипротранс) или «РОБД» (НИЦТМ ЦНИИС). Для определения усилий в плоской модели, где обделка представлена стержневой системой, а горный массив — сплошной упругопластической средой, рекомендуется использовать комплекс программ «РУПС.03» (НИЦ TM ЦНИИС), в котором заложена возможность расчета усилий в анкерах.
Для исследовании влияния выработок, пройденных в непосредственной близости от действующего тоннеля, наиболее эффективны методы механики сплошной среды, например, метод конечных элементов с расчетными программными комплексами Plaxis 3D, Cosmos M и др.