Способ определения осадок земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей Российский патент 2024 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения осадок земной поверхности и сооружений в условиях, когда в районе их нахождения предполагаются закрытые проходки в сыпучих (дисперсных) грунтах нескальных пород.

Цель предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности, достоверности и точности проектно-изыскательских работ, а также снижении расходов при строительстве-проходе тоннеля.

Известен способ определения устойчивости зданий и сооружений [RU 2245531, С2, G01M 7/00, 27.01.2005], включающий возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах путем воздействия на него последовательности ударных импульсов малой амплитуды, измерение колебаний с помощью установленных на объекте датчиков, суммирование колебаний по амплитуде и определение динамических характеристик объекта по измеренным параметрам суммарных колебаний, экспериментально определение значений поверхностной прочности, и/или объемной прочности, и/или параметры армирования элементов конструкции объекта, и/или осадки, и/или сдвиги, и/или крены объекта, и/или глубину залегания фундамента, и/или его поверхностную прочность, и/или его объемную прочность, и/или период собственных колебаний грунта под объектом, и/или вокруг него, измеренный, по меньшей мере, по первому тону колебаний, и/или логарифмический декремент их затухания, и/или уровень грунтовых вод, колебания возбуждают ударным устройством, по меньшей мере, в одном из направлений, параллельных осям расположения объекта в пространстве по длине, ширине и высоте, сравнивают периоды собственных колебаний, вычисленных, по меньшей мере, по первому тону колебаний и/или логарифмические декременты их затуханий от, по меньшей мере, одного датчика, расположенного на объекте на максимальном удалении от места возбуждения колебания вдоль траектории распространения колебаний по данному направлению с нормированными значениями таковых для данной конструкции и материалов объекта и при превышении разницы значений более, чем на ошибку измерения, по меньшей мере, один датчик перемещают по направлению к месту возбуждения колебаний вдоль траектории распространения колебаний по данному направлению до получения минимальных измеренных значений периода собственных колебаний элементов конструкции объекта, участок конструкции объекта от максимального значения периода собственных колебаний до его минимального значения экспериментально исследуют на наличие дефектов, экспериментально рассчитывают зависимость ускорения объекта от, по меньшей мере, одной пространственной координаты для, по меньшей мере, одной частоты колебаний, все полученные экспериментальные значения считают исходными данными для сравнения с данными теоретических моделей, рассчитанных для данной конструкции объекта и материалов изготовления и определения устойчивости зданий и сооружений методом экспертных оценок, при этом, в случае нахождения объекта в сейсмоопасной зоне учитывается соотношение периодов собственных колебаний и/или логарифмических декрементов их затуханий грунта и элементов конструкции объекта.

Недостатками способа является его относительно низкая точность, поскольку способ предполагает механическое воздействие на само сооружение, которое может отличаться от интенсивности и вида последующих воздействий, а также относительно узкая область применения, поскольку не предполагает создание условий, характерных на воздействие на грунты и сооружения в условиях строительства тоннелей в районе их нахождения.

Большое распространение для оценки осадок земной поверхности и сооружений при строительстве тоннелей получило определение коэффициента перебора на основании экспериментальных данных, полученного опыта и результатов мониторинга, а также определение на этой основе коэффициента перебора грунта V_L, который определяет прогнозное значение осадок (О) при выполнении математических расчетов методами численного моделирования.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ определения осадок земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей [Тихонюк И.А., Филатов Ю.В. Определение комплексного коэффициента перебора грунта при щитовой проходке метрополитена. Геотехника. Том XIV, №1/2022, с. 30-48], заключающийся в измерении площади поперечного сечения прокладываемого тоннеля A₁, измерении площади поперечного сечения закрытой выработки A₂, измерении площади поперечного сечения технологического оборудования A₃, определении степени заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки k_L, вычислении технологического коэффициента перебора грунта V_L-T, коэффициента крепости пород по М.М. Протодьяконову f и вычислении технологического коэффициента перебора грунта V_L-C

где k_L - степень заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки;

А₁ - площадь поперечного сечения прокладываемого тоннеля, м²;

А₂ - площадь поперечного сечения закрытой выработки, м²;

А₃ - полная площадь поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м²;

f - коэффициент крепости породы,

и определения значения коэффициента перебора грунта V_L-C для выполнения математических расчетов методами численного моделирования при определении осадки земной поверхности и сооружений.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность способ определения осадок земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей, вызванного, в частности, низкой точностью определения коэффициента крепости пород по М.М. Протодьяконову f поскольку данный коэффициент определяется по таблице, составленной на основе оценок трудоемкости по разработке грунтовых пород, преимущественно скальных, что существенно влияет на подбор параметров для определения величины осадки в сыпучих (дисперсных) грунтах нескальных пород.

Задачей изобретения является разработка способа определения осадки земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей закрытым способом, обладающего более высокой точностью по сравнению с известными и с учетом физико-механических характеристик слоя грунта, в котором выполняется закрытая проходка, на основе более корректного определения коэффициента перебора грунта для сыпучих (дисперсных) грунтов V_L на стадии проектно-изыскательских работ для обеспечения более высокой безаварийности тоннелепроходческих работ и снижения затрат на компенсационные мероприятия (независимые усиления, усиления сооружений) и объемы геодезических измерений при строительнопроходческих работах закрытых выработок.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности определения осадки земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в определении площади поперечного сечения прокладываемого тоннеля А₁ площади поперечного сечения закрытой выработки А₂, степени заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки k_L и технологического коэффициента перебора грунта V_L-T

где k_L - степень заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки;

А₁ - площадь поперечного сечения прокладываемого тоннеля, м²;

D₁ - внешний диаметр обделки, м;

А₂ - площадь поперечного сечения закрытой выработки, м²;

D₂ - диаметр режущего органа технологического оборудования, м;

А₃ - полная площадь поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м²;

D₃ - диаметр поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м, согласно изобретению, дополнительно экспериментально определяют текущие характеристики параметров грунта С - удельное сцепление грунта, кПа, ϕ - угол внутреннего трения грунта, град (°), υ - коэффициент относительной поперечной деформации грунта (Пуассона), Е₀ - модуль общей деформации грунта, МПа, е - коэффициент пористости грунта и I_L - показатель (число) текучести грунта, после чего определяют коэффициент грунтовой среды , где коэффициенты физико-механических характеристик грунта определяют по таблице их соответствия текущим характеристикам грунта закрытой проходки, и по которому вычисляют коэффициент перебора сыпучих грунтов:

и окончательно вычисляют искомую осадку земной поверхности с учетом диаметр режущего органа технологического оборудования:

где

ϕ - угол внутреннего трения грунта массива, °;

z₀ - глубина оси заложения тоннеля (закрытой выработки), м;

D - диаметр режущего органа технологического оборудования, м.

На чертеже представлен поперечный разрез с предполагаемой формой потери объема грунта при проходке и характер развития вертикальных перемещений земной поверхности над тоннелем, соответствующий нормальному распределению Гаусса, где:

β - угол распределения осадок ;

i - местоположение максимального расчетного уклона или точки перегиба;

S_max - значение максимальной осадки надо тоннелем, м;

D - диаметр режущего органа технологического оборудования, м;

V_L - прогнозное значение потери объема грунта при устройстве выработки, %;

z₀ - глубина оси заложения тоннеля (закрытой выработки), м.

Предложенный способ определения осадок земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей реализуется следующим образом.

Предварительно по проектным данным определяют площадь поперечного сечения прокладываемого тоннеля А₁, площадь поперечного сечения закрытой выработки A₂, степень заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки k_L и определяют технологический коэффициент перебора грунта V_L-T:

где k_L - степень заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки;

А₁ - площадь поперечного сечения прокладываемого тоннеля, м²;

D₁ - внешний диаметр обделки, м;

D₂ - диаметр режущего органа технологического оборудования, м;

А₃ - полная площадь поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м²;

D₃ - диаметр поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м.

Дополнительно экспериментально определяют текущие характеристики параметров грунта: С - удельное сцепление грунта, кПа, ϕ - угол внутреннего трения грунта, град (°), υ - коэффициент поперечиной деформации грунт, Е₀ - модуль общей деформации грунта, МПа, е - коэффициент пористости грунта, I_L - показатель (число) текучести грунта и определяют коэффициент грунтовой среды , где коэффициенты физико-механических характеристик грунта определяют по таблице их соответствия текущим характеристикам параметров грунта линейной интерполяцией:

С - удельное сцепление грунта, кПа;

ϕ - гол внутреннего трения грунта, град (°);

υ - коэффициент относительной поперечной деформации грунта (Пуассона);

Е₀ - модуль общей деформации грунта, МПа;

е - коэффициент пористости грунта;

I_L - показатель (число) текучести грунта.

Табличные значения предполагают использование указанных диапазонов физико-механических характеристик грунтов. При использовании значений менее или более, указанных для каждого параметра характеристик грунта, как максимальные или минимальные, принимаются соответствующее максимальные или минимальные значения соответствующего параметра.

Далее определяют коэффициент перебора сыпучих грунтов:

и окончательно вычисляют искомую осадку земной поверхности с учетом диаметра режущего органа технологического оборудования:

где

ϕ - угол внутреннего трения грунта массива, °;

z₀ - глубина оси заложения тоннеля (закрытой выработки), м;

D - диаметр режущего органа технологического оборудования, м.

Таким образом, в предложенном способе определения осадки земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении его точности по сравнению с известными, поскольку учитываются физико-механические экспериментально определяемые характеристики слоя грунта, в котором выполняется закрытая проходка, что важно для обеспечения безаварийности тоннелепроходческих работ и снижения затрат на компенсационные мероприятия (усиления сооружений, независимые усиления грунтового массива рядом с проходкой) и объемы геодезических измерений при строительно-проходческих работах закрытых выработок.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения осадок земной поверхности и сооружений в условиях, когда в районе их нахождения предполагаются закрытые проходки в сыпучих (дисперсных) грунтах нескальных пород. При реализации способа определяют технологический коэффициент перебора грунта, в зависимости от выбранного технологического оборудования, по результатам экспериментальных исследований текущих характеристик грунта, в котором выполняется закрытая проходка. Определяют коэффициент перебора сыпучих грунтов и окончательно вычисляют искомую осадку земной поверхности и сооружений. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил., 1 табл.

Способ определения осадок земной поверхности и сооружений при строительстве подземных тоннелей, заключающийся в том, что предварительно по проектным данным определяют площадь поперечного сечения прокладываемого тоннеля А₁, площадь поперечного сечения закрытой выработки А₂, степень заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки k_L и определяют технологический коэффициент перебора грунта

где k_L - степень заполнения грунтом кольцевого зазора между прокладываемым тоннелем и контуром образуемой выработки;

А₁ - площадь поперечного сечения прокладываемого тоннеля, м²;

D₁ - внешний диаметр обделки, м;

А₂ - площадь поперечного сечения закрытой выработки, м²;

D₂ - диаметр режущего органа технологического оборудования, м;

А₃ - полная площадь поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м²;

D₃ - диаметр поперечного сечения закрытой выработки с учетом технологического процесса проходки, м, отличающийся тем, что дополнительно определяют текущие характеристики параметров грунта: С - удельное сцепление грунта, кПа, ϕ - угол внутреннего трения грунта, град (°), υ - коэффициент относительной поперечной деформации грунта (Пуассона), E_o - модуль общей деформации грунта, МПа, е - коэффициент пористости грунта и I_L - показатель (число) текучести грунта и определяют коэффициент грунтовой среды LSR=R_C+R_ϕ+R_ν+R_Eo+R_e+R_IL, где коэффициенты физико-механических характеристик грунта R_C, R_ϕ, R_ν, R_Eo, R_e, R_IL определяют по таблице их соответствия текущим характеристикам параметров грунта, и определяют коэффициент перебора сыпучих грунтов:

и окончательно вычисляют искомую осадку земной поверхности и сооружений с учетом диаметра режущего органа технологического оборудования:

ϕ - угол внутреннего трения грунта массива, °;

z₀ - глубина оси заложения тоннеля (закрытой выработки), м;

D - диаметр режущего органа технологического оборудования, м.