Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Способы прогнозирования смещения пластов, в основном, включают в себя эмпирические формулы, цифровое моделирование, испытания модели, экспертные системы и теории серых систем (серый реляционный анализ). Среди них экспертные системы и теории серых систем – это самый горячо обсуждаемый предмет исследований в последние годы, который представляет собой новый ход мыслей на прогнозирование деформаций, но имеет свои сложности в виде огромного количества факторов, которые необходимо учитывать, а также сложности моделирования и трудностей применения в инженерии. Способ испытания модели, в свою очередь, характеризуется высокой стоимостью и плохой управляемостью. Модель метода эмпирической оценки, основанная на статистическом анализе данных из фактических измерений, характеризуется простотой и практичностью, помогает на стадии проектирования с большой долей достоверности оценить степень возможной деформации и имеет хорошую эффективность руководства строительством. Способ цифрового моделирования также является одним из высокоэффективных методов и занимает важное место в изучении закономерностей смещения горизонта в пластах проходки туннелей.

1) Эмпирическая формула

Способ эмпирического прогнозирования, в основном, осуществляется посредством наблюдения за оседанием поверхности земли, данные наблюдения подвергаются математической обработке, а затем в математической форме применяются относительно закономерности оседания, на основании этого, делаются теоретические и эмпирические выводы о максимальной степени просадки поверхности и ее распределении. В практике строительства применяется формула Peck и серия корректирующих формул Пика. Peck предположил, что оседание земли в процессе работ происходит в недренируемых условиях, поэтому объем впадины оседания равен объему потери пласта. Потеря пласта распределяется равномерно по длине туннеля. Поперечное распределение оседания поверхности земли аналогично кривой нормального распределения, как показано на рис. 3-18.

Рис. 3-18. Форма впадины оседания верхнего грунта над туннелем – кривая нормального распределения

(3-46а),

(3-46а),

где: S (x) – длина оседания поверхности земли в области центральной линии туннеля;

S max – степень просадки поверхности земли относительно центральной оси туннеля;

x – расстояние от центра оси до края впадины оседания;

i – коэффициент ширины впадины оседания.

V s— степень потери пласта при проходке 1м туннеля.

(3-47),

где: z – расстояние от центра забоя до поверхности земли; ? – угол внутреннего трения окружающих пластов, ширина впадины оседания поверхности земли B ? 2.5i.

Aттвелл внес корректировки в коэффициент ширины i, предложил коэффициент ширины впадины поперечного оседания i, зависящий от прочности пласта вблизи поверхности земли, глубины залегания туннеля и радиуса туннеля, что можно приближенно записать как:

(3-48),

(3-49),

где: z – расстояние от центра забоя до поверхности земли;

R – внешний радиус щита;

A – поперечное сечение туннеля;

K, n – испытательный коэффициент;

V – объем впадины оседания;

? max – степень оседания поверхности земли по центральной линии туннеля.

Английские ученые Клаф и Шмидт в 1974 году предложили следующую расчетную формулу коэффициента ширины впадины оседания поверхности в условиях насыщенной глинистой гидропластичности:

(3-50),

где: z – глубина от поверхности земли до центра туннеля;

R – радиус туннеля.

О’Рейли-Нью провел анализ максимальных значений просадки, объема впадины оседания и фактических значений точки перегиба для 11 из 19 объектов в условиях вязких слоев и для 6 из 16 объектов в условиях песчаного грунта и грунта обратной засыпки в Англии, на основании чего выдвинул гипотезу о том, что форма впадины оседания представляет собой кривую нормального распределения, и предположил, что для вязких слоев подходит следующая формула:

(3-51),

(3-52)

где: для k в твердом глинистом грунте берется 0.4, в мягком глинистом грунте берется 0.7, а в глинистом грунте средней твердости и мягкости берется 0.5. В дополнение к этому, с помощью статистического метода также вывел формулу вычисления степени максимального горизонтального оседания;

для песчанистых грунтов:

(3-53),

для вязких грунтов:

(3-54),

формула для вычисления диапазона влияния оседания:

(3-55),

где: в значениях k и n – при использовании щита с грунтопригрузом, для вязкого грунта: k = 1.3, n = 0.70; для песчанистого грунта: k = 0.65, n = 1.2.

2) Цифровое моделирование