Два подхода к расчету тоннельных обделок, алгоритмы программ, исследования работы обделок в упругой, упруго-пластической и упруго-вязкой среде

Тоннельные сооружения являются материалоемкими конструкциями, имеющими огромное народно — хозяйственное значение. В основе проектирования тоннельных конструкций лежит их прочностной расчет от качества, которого зависит как экономичность, так и надежность тоннельных конструкций. Данная работа посвящена уточнению расчетных моделей тоннельных конструкций, поэтому тема диссертации является актуальной.

Цели и задачи исследования.

Тоннельные конструкции можно подразделить на две категории: горные тоннели, тоннели метрополитенов (перегонные и станционные) и крепи, закрепляющие выработки при горнопроходческих работах. Первые являются постоянными конструкциями, а вторые — временными и подходы к их проектированию должны быть, естественно, различными.

Характер работы этих конструкций различен и зависит от глубины заложения. Так тоннели метрополитенов находятся на сравнительно небольшой глубине (50−60 м), а горные тоннели и крепи находятся на глубине измеряемой сотнями метров, а иногда и километрами. В диссертации показано, что для расчета обоих видов сооружений принципиально не может быть единой расчетной схемы, и обоснованы две расчетные схемы: расчет обделок на вывал, как конструкций в упругой среде и совместный расчет тоннельной обделки и окружающей среды.

Первая расчетная схема является более простой, в настоящее время достаточно хорошо теоретически проработана (имеются стандартные программные комплексы) и подтверждена практикой строительства метрополитенов. Возможности второй расчетной схемы могут быть резко расширены (за счет широкого применения вычислительной техники), а сама расчетная схема уточнена за счет современных достижений механики твердого деформированного тела.

Обоснованность и достоверность основных положений.

В диссертации использованы классические подходы горной механики и современные достижения механики твердого деформированного тела, достоверность которых не вызывает сомнений.

Научная новизна.

Разработан универсальный алгоритм расчета тоннельных обделок в упругой, упруго — пластической и упруго вязкой средах. Получена новая (упрощенная) матрица для расчета тоннельной обделки в упруго-пластической среде, разработан новый численный метод расчета обделок в упруго — вязкой среде.

Практическая реализация.

Разработанный алгоритм расчета в упруго — пластической среде использовался при проверке на водонепроницаемость Лефортовского тоннеля, и было доказано, что всплытие произойдет на малую величину, что не приведет к раскрытию стыков приводящего к нарушению герметичности обделки: В результате отпала необходимость в больших земляных работах связанных с созданием пригруза за счет подсыпки грунта.

Апробация работы.

Основное содержание работы изложено в автореферате и четырех статях. Кроме того, материалы диссертации докладывались на конференции в Московском Государственном автомобильно — дорожном институте (МАДИ).

Автор выражает глубокую благодарность за помощь, оказанную при написании диссертации чл. корр. РААНСН, профессору, доктору технических наук Шапошникову H.H., доценту, кандидату технических наук Ожерельеву В. А. и инженеру А. Арифджанову за помощь в разработке универсального программного комплекса с параметрическим вводом конфигурации обделки, а так же сотрудникам кафедры САПР ТК МИИТ за внимательное отношение и советы, которые давались автору диссертации во время докладов на кафедре.

1. Айвазов Ю., Горленко А. Расчет обделок из монолитно прессованногобетона., Метрострой, 1979, № 7.

2. Александров A.B., Шапошников H.H., Использование дискретной моделипри расчете пластинок с применением цифровых автоматических машин., Сб. МИИТ вып. 194. Транспорт М.:1966.

3. Александров A.B., Лащеников Б. Я., Шапошников H.H. Методы расчета стержневых систем, пластин и оболочек с использованием ЭВМ в 2-ч частях. Под редакцией чл.-корр. Ан СССР, д.т.н., проф. А. Ф. Смирнова Стройиздат М.: 1976.

4. Александров A.B., Лащеников Б. Я., Шапошников H.H., Строительнаямеханика. Тонкостенные пространственные системы. Под редакцией чл.-корр. Ан СССР, д.т.н., проф. А. Ф. Смирнова Стройиздат М.: 1983.

5. Александров A.B., Потапов В. Д., Основы теории упругости и пластичности. Высшая школа. М., 1990.

6. Александров A.B., Потапов В. Д., Державин Б. П. Сопротивлениематериалов. Высшая школа. М., 2000.

7. Амусин Б. З., Статический расчет конструкций станций метрополитеназакрытого типа по стадиям ее сооружения методом начальных параметров., Труды ВНИМИ, вып. 67, Л.: 1967.

8. Амусин Б. З., Некоторые особенности расчета конструкций станциизакрытого типа методом начальных параметров на ЭЦВМ. Труды ЛИИЖТ, вып. 317, Л.: 1971.

9. Архангельский H.H., Джинчарадзе Д. И., Курисько A.C. Расчет тоннельныхобделок. Трансжелдориздат, М.: 1960.

10. Бакиров P.O. Применение современных электронных вычислительныхмашин при расчете и проектировании конструкций инженерных сооружений. ВИА, М.: 1968.

11. Бакиров P.O., Матричный метод расчета на ЭЦВМ железобетоннойзамкнутой конструкции практического очертания в упругой среде. ВИА, М.1971.

12. Баклашов И. В., Тимофеев О. В. Конструкции и расчет крепей и обделок.Недра. М.: 1979.

13. Баклашов И. В., Карнизия Б. А. Механика подземных сооружений иконструкции крепей. 2-е издание. Недра. М.: 1992.

14. Барбакадзе В. Ш., Мураками С., Расчет и проектирование строительныхконструкций в деформируемых средах. Стройиздат М., 1989.

15. Баславский H.A., Рыбкин М. Б., Расчет на ЭВМ тоннельных обделок потеории линейно деформируемой среды, Известия ВНИИГ № 129 Энергия, 1979.

16. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов, Стройиздат. М.: 1982.

17. Безухов H.H., Лужин О. В., Приложение методов теории упругости ипластичности к решению инженерных задач, Высшая школа. М., 1994.

18. Беркина С. П., Расчет обделки тоннеля произвольного очертания. Строительная механика и расчет сооружений. № 5, 1960.

19. Бодров Б. П. Расчет кольца тоннельной обделки рядами Фурье. Метропроект, отдел типового проектирования. Бюл. № 29 М.:1936.

20. Бодров Б. П., Матэри Б. Ф., Кольцо в упругой среде. Метропроект, отделтипового проектирования. Бюл. № 24, 1936.

21. Бодров Б. П., Поярков С. Г., Методы расчета круговых тоннельных обделок. Метропроект, отдел типового очертания. Сб. № 27, М.: 1939.

22. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. Гостехиздат.М.: 1948.

23. Булычев Н. С., Методика расчета незамкнутых и сборных конструкцийкрепи капитальных горных выработок на основе схемы контурного взаимодействия с массивом, механика сооружений ТулПИ, 1982.

24. Булычев Н. С., Механика подземных конструкций. Недра, М/.1982.

25. Булычев Н. С., Механика подземных сооружений. Недра, М.: 1992.

26. Булычев Н. С., Амусин Б. З., Оловянный А. Г., Расчет крепи капитальныхгорных выработок, Недра, М.:1974.

27. Булычев Н. С., Фотиева H.H. Оценка устойчивости породы, окружающейгорные выработки. Шахтное строительство. № 3.1977.

28. Булычев Н. С., Фотиева H.H., Стрельцов Е. В., Проектирование и расчеткрепи капитальных выработок., Недра, М.: 1986.

29. Вовкушевский A.B. О решении задач теории упругости с условиями тренияна границе. Изв. АН СССР, Механика твердого тела№ 4, М.: 1984.

30. Вовкушевский A.B. Постановка и решение контактной задачи теорииупругости с трением при произвольном процессе загружения. В сб.: Метод конечных элементов и расчет сооружений. Труды ЛПИ, № 405. Л.: 1985.

31. Вовкушевский A.B., Шойхет Б. А. Расчет массивных гидротехническихсооружений с учетом раскрытия швов. Энергия. М.: 1981.35. Волков В.П.

32. Волков В. П Автодорожные тоннели. Транспорт. М.: 1970.

33. Волков В. П., Наумов Н., Пирожкова А. Н., Храпов В. Г., Тоннели иметрополитены., транспорт, М.: 1975.

34. Вялов С. С., Реологические основы механики грунтов, Физматгиз М.: 1960.

35. Галеркин Б. Г., Собрание сочинений т.1., изд. АН СССР, 1952.40. Гарбер,.

36. Гуров Д. Б., Совершенствование методов автоматизированного расчета ипроектирования тоннельных обделок, (сборник Роль молодых ученых и специалистов в развитии НТП на железнодорожном транспорте. Тезисы, конференции)., ВНИИЖТ. М.: 1984.

37. Давыдов С. С., Новый метод расчета подземных сооружений, вестник ВИА35, 1935.

38. Давыдов С. С., Расчет и проектирование подземных конструкций, Стройиздат. М.:1950.44. Дандуров, Тоннели,.

39. Дарков A.B., Кузнецов, Статика сооружений. Гостехиздат. М.: 1948.

40. Дарков A.B., Шапошников H.H., Строительная механика., М.: Стройиздат, 1956.

41. Даушвили А. П., Расчет тоннельных обделок в матричной форме, Транспорт., 1972.

42. Жемочкин Б. Н. Синицын А.П. Практические методы расчетафундаментальных балок на упругом основании., Госстройиздат, 1962.

43. Заславский Ю. З., Мостков В. М., Крепление подземных сооружений., Недра, М.: 1979.

44. Золотов О. П., Ксенофонтов В. К., Расчет подземных гидротехническихсооружений методом конечных элементов в не линейной постановке., Гидротехническое строительство № 12, 1983.

45. Золотов О. Н. Резников P.A., Родинко О. П., Система комплекснойавтоматизации расчетов подземных гидротехнических сооружений в кн. Актуальные проблемы расчетного обоснования сооружений гидроузлов. Сборн. научных трудов Гидропроекта., М.: 1980.

46. Зурабов Г. Г., Бугаева O.E., Безнапорные гидротехнические тоннели., Госстройиздат, 1940.

47. Зурабов Г. Г., Бугаева O.E., Гидротехнические тоннели гидротехнических электрических станций., Госэнергоиздат. М.: 1962.

48. Киселев В. А. Балки и рамы на упругом основании. Ред. Строит, литература.М.: 193 058. Клейн Г. К.

49. Компанией С. А., Поправко А. К., Богородецкий A.A. Проектированиетоннелей. Транспорт. М.: 1973.

50. Лехницкий С. Г. Теоретическое исследование напряжений в упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения. Труды всесоюзного института геомеханики и маркштедерского дела., Спб.: 1982.

51. Либерман Ю. М. Давление на крепь капитальных выработок. Наука, М.: 1969.

52. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести., Машиностроение. М.: 1975.

53. Маренный Я. П. Тоннели с обделкой из монолитно прессованного бетона., Транспорт. М.: 1985.

54. Мостков В. М. Подземные сооружения большого сечения. Наука, М.: 1974.

55. Мостков В. М., Резников P.A. О методике статических расчетов машинных залов ГЭС и ГАЭС., Гидротехническое строительство, 1979.

56. Мостков В. М., Орлов В. А., Степанов П. Д., Хечиков М. Е., Юфин С. А., Подземные гидротехнические сооружения. Высшая школа, М.: 1986.

57. Мусхелишвили Н. П., Некоторые основные задачи математической теории упругости. Наука, М.: 1966.

58. Орлов С. А. Методы статического расчета сборных железобетонных обделоктоннелей. Госстройиздат. М.: 1961.

59. Орлов С. А., Предварительно напряженная сборная обделка тоннелей. Трудыисследовательского института транспортного строительства., вып. № 31.

60. Орлов С. А, Расчет конструкций лежащих на контуре кругового выреза вплоскости. Сборник по исследованию теории сооружений, вып. № 1 М.: 1954.

61. Пастернак П. Д., Основы нового метода расчета фундаментов на упругомосновании при помощи двух коэффициентов., Госстройиздат, М.: 1954.

62. Резников А. Р. Решение задач строительной механики на ЭЦМ. Строииздат.Л.: 1971.

63. Ржакицин P.A. Строительная механика. Стройиздат. М.: 1982.

64. Родин Н. В. К вопросу о решении задач гравитационного давления массивов на крепи подземных выработок., доклады АН СССР т.28 № 3,1951.

65. Родин Н. В., Снимаемая нагрузка и горное давление. В книге исследованиегорного давления., ГостехиздатМ.: 1960.

66. Розанов С. Н. Туннели. В кн. Справочная книга для инженеров строителей.Т.1.М.: 1933.

67. Розин Л. А. Вариационные постановки задач для упругих систем. Изд-воЛГУ. Л.: 1978.

68. Руководство по проектированию гидротехнических тоннелей. Всесоюзныйпроектно изыск. Институт Гидропроект им. С. Я. Жука. Строимздат. М.: 1982.

69. Руппенейт К. В., Некоторые вопросы механики горных пород., Углетехиздат, М.: 1954.

70. Руппенейт К. В., Драповский А. Н., Лыткин В. А., Расчет сборной кольцевойкрепи подземных сооружений., Недра, М.: 1959.

71. Руппенейт К. В., Либерман Ю. М., Матвиенко В. В. Песляк Ю.А. Расчеткрепи шахтных стволов. Изд. АН СССР. М.: 1967.

72. Савин Г. П. Давление горных пород на крепление вертикальных шахт. Записки института горной механики АН УССР. № 5. 1947.

73. Савин Г. П., Влияние крепления на распределение напряжений вокруг узкойподземной горной выработки., записки института горной механики АН СССР, 1947.

74. Самокомпенсация трубопроводов с учетом трения. В. Я. Маголиф, В. В. Спиридонов, В. П. Черный. Мин. Газ. Пром. ВНИИЭгазпром. Научнотехнич. Обзоры, серия: проектирование и строительство.

75. Секулович М. Метод конечных элементов. Стройиздат, М.: 1993.

76. Смирнов А. Ф., Александров A.B., Шапошников H.H., Лащеников Б. Я., Расчет сооружений с применением ЭЦВМ. Стройиздат. М.: 1964.

77. СНиП 2.03.01−84., Бетонные и железобетонные конструкции., Госстрой, ЦИТП Госстоя, 1985.

78. СНиП П-44−78., Тоннели железнодорожные и автодорожные.,.

79. Совершенствование методов расчета тоннельных конструкций. Сб. научн.Сообщ. ЦНИИС. Вып.№ 81. М.: 1974.

80. Соловьев Г. П., Шапошников H.H., Методические указания по расчетуплоских стержневых систем методом перемещений с использованием ЭВМ «Наири» ., МИИТ., М.: 1978.

81. Старчевская Л. Л., Решение задачи о плоско напряженном состоянииполуплоскости под действием сосредоточенных сил., труды ВНИИТС, вып 81. М.:1976.

82. Старчевская Л. Л., Решение контактной задачи «тоннельная обделка грунт» с учетом давления окружающей среды., труды ВНИИТС, вып. 98. М.:1976.

83. Фадеев Д. К., Фадеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры.Физматгиз. М-Л.: 1963.

84. Федоров В. Л. Расчет облицовок напорных гидротехнических тоннелей навнутреннее давление воды. Изв. ВНИИГ. Т.25. Л.: 1939.

85. Федоров В. Л. О передаче давления упругой среды на цилиндрическуютрубу. Изв. ВНИИГ. Т.24. Л.: 1939.

86. Феннер Р., Исследование горного давления. В кн. Вопросы теории горногодавления., Госгортехиздат., М.:1961.

87. Филоненко-Бородич М.М., Простейшая модель упругого основания, способная распределять нагрузку. Труды МЭМИИТ вып.№ 53. Трансжелдориздат. М.: 1945.

88. Фотиева H.H., Афонасова О. В., Расчет круговой крепи подземныхсооружений в неоднородном массиве на действие собственного веса породы., Подземное и шахтенное строительство. 1991.

89. Фотиева H.H., Расчет крепи подземных сооружений в сейсмическиактивных районах., Недра, М.: 1980.

90. Фотиева H.H., Расчет крепи подземных сооружений на статические исейсмические воздействия на основе исследования упругой модели взаимодействия с массивом пород. В кн. Проблемы механики подземных сооружений., Изд., МГУ, 1979.

91. Фотиева H.H., Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. Стройиздат, М.: 1974.

92. Храпов В. Г., Демешко Е. А., Наумов С. П., Пирожкова А. Н., Тоннели иметрополитены., транспорт, М.: 1975.

93. Храпов В. Г., Шапошников H.H., Конструкции станций метрополитена., МИИТМ.: 1970.

94. Храпов В. Г., Сонин А. Н. Определение продольных усилий в конструкцииподводного тоннеля из опускных секций. Тр. МИИТ, вып. 463. М.: 1974.

95. Храпов В. Г., Сонин А. Н. Использование схемы балки на упругомосновании для расчета подводных тоннелей из опускных секций. Сб. научн. Тр. ВНИИТ. Вып.72. М.: 1975.

96. Шапошников H.H., Расчет круговых тоннельных обделок на упругомосновании характеризуемом двумя коэффициентами постели., Труды МИИТ вып. 155, Трансжелдориздат, М.:1961.

97. Шапошников H.H., Расчет тоннельных обделок методом перемещений сиспользованием ЭЦВМ., МИИТ М.: 1969.

98. Шапошников H.H., Петров В. П., Андреев О. О., Гульбе В. И., Расчеттоннельных обделок произвольного очертания с использованием ЭВМ., Труды МИИТ вып. 371, Трансжелдориздат, М.:1971.

99. Шапошников H.H., Тарабасов Н. Д., Петров В. Б. Мяченков В.И. Расчетымашиностроительных конструкций на прочность и жесткость. Машиностроение. М.: 1981.

100. Шпиро И. Г. Применение метода начальных параметров к расчетустержневых систем, описываемых обыкновенными линейными дифференциальными уравнениями., сб. трудов ЦНИИС № 81, М.: 1974.

101. Юфин С. А., Расчет подземных сооружений на ЭВМ методом конечных элементов. МИСИ им. Куйбышева. М.: 1980.