65412

Геомеханічне обґрунтування тривалої стійкості запобіжних ціликів між транспортними тунелями

Автореферат

География, геология и геодезия

Основна ідея досліджень полягає у геомеханічному обґрунтуванні інтегрального значення коефіцієнтy запасу міцності стрічкових запобіжних ціликів на основі аналізу і співставлення діючого і граничного напружених станів з урахуванням реологічних явищ...

Украинкский

2014-07-29

220.5 KB

0 чел.

PAGE  12

національна академія наук України

інститут фізики гірничих процесів

Шашенко Дмитро Олександрович

УДК 622.831.3.02:539.2.8

Геомеханічне обґрунтування тривалої стійкості запобіжних ціликів між транспортними тунелями

Спеціальність 05.15.09 – Геотехнічна і гірнича механіка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк– 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

                               Сдвижкова Олена Олександрівна,

                                     завідувачка кафедри вищої математики Національного

                                     гірничого університету Міністерства освіти і науки

                                     України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Софійський Костянтин Костянтинович

завідувач відділом проблем розробки технологій вугільних

родовищ Інституту геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова Національної академії наук України

(м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, доцент

Тютькін Олексій Леонідович

доцент кафедри тунелів, основ і фундаментів

Дніпропетровського національного університету

залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна

Міністерства транспорту та зв’язку  України

Захист відбудеться “   9      грудня    2010 р. о   13    годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72).

Автореферат розісланий “8”  листопада  2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.184.02

доктор технічних наук        В.Г. Синков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За транзитним потенціалом Україна займає одне з перших місць у Європі. Цей факт визначає значимість розробки і проведення у державі ефективної транспортної політики. Провідну роль у ній відіграє прискорений розвиток інфраструктури, створення у відповідності зі стандартами національної мережі міжнародних транспортних коридорів з послідовною її інтеграцією в транспортні системи Європи і Азії, Балтійського і Чорноморського регіонів. Особливе значення має реалізація проектів, які дозволяють забезпечити доставку каспійської нафти на внутрішній і міжнародні ринки.

Одним з найважливіших міжнародних транспортних коридорів, який дозволяє реалізувати ці проекти, є TRACECA (Transport Corridor Europe Caucasus Asia), на шляху якого до країн Кавказу у Криму лежить Керченська протока. Транспортний перехід через Керченську протоку може бути найбільш ефективно і екологічно безпечно вирішений шляхом будівництва трьох паралельних тунелів, що проходять під дном, які з'єднають Крим і Краснодарський край (Росія). Світова практика свідчить про безпеку і ефективність функціонування тунелів під такими протоками, як Ла-Манш, Дарданели (перша черга). Передбачається будівництво тунелів під Гібралтаром, Беринговою протокою, між материком, Сахаліном і Японськими островами та багато інших.

Вартість переходу під протокою при інших рівних умовах буде тим нижчою, чим ближче один до одного проходитимуть тунелі. Однак ця відстань обмежується шириною запобіжних ціликів, що розташовані між тунелями. Геомеханічне обґрунтування такої ширини ціликів, при якій забезпечується можливість тривалої безпечної експлуатації підземного переходу, що прокладений під дном Керченської протоки, є актуальною науково-технічною задачею, яка має важливе народногосподарське значення. 

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з програмою науково-дослідних робіт Національного гірничого університету, яка пов'язана з держбюджетною темою ГП-366 "Закономірності катастрофічних проявів гірського тиску у підземних виробках" (№ держреєстрації 0105U000519 ). 

Мета досліджень полягає у розробці методики розрахунку стрічкових запобіжних ціликів між тунелями. 

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і виконані наступні основні задачі досліджень:

- обґрунтування актуальності проблеми створення транспортного переходу під Керченською протокою, як альтернативи мостовому переходу, дамбі або паромній переправі;

- виконання лабораторних експериментів на моделях із еквівалентних матеріалів;

- чисельне моделювання напружено-деформованого стану стрічкових ціликів методом скінчених елементів;

- оцінка граничного напруженого стану стрічкових запобіжних ціликів;

- оцінка впливу форми вибою тунелів на величину концентрації напружень у приконтурній області;

- розробка і впровадження методики розрахунку запобіжних ціликів між тунелями.

Основна ідея досліджень полягає у геомеханічному обґрунтуванні інтегрального значення коефіцієнтy запасу міцності стрічкових запобіжних ціликів на основі аналізу і співставлення діючого і граничного напружених станів з урахуванням реологічних явищ, що виникають у високонавантажненому породному середовищі навколо тунелів. 

Об'єктом досліджень є міцність стрічкових запобіжних ціликів між транспортними тунелями під Керченською протокою.

Предмет досліджень - граничний напружений стан порід, що складають стрічкові запобіжні цілики.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, що полягає в аналізі джерел інформації в області створення міжнародних транспортних коридорів, технології спорудження тунелів під протоками, розрахунку запобіжних ціликів, теорій міцності і руйнування гірських порід; у проведенні лабораторних експериментів на моделях із еквівалентних матеріалів; у використанні методу скінчених елементів для аналізу напружено-деформованого стану ціликів; у використанні ймовірнісно-статистичних методів для обробки результатів вимірів. 

Основні наукові положення, що захищаються у дисертації:

  •  зміна коефіцієнта запасу міцності за шириною запобіжного цілика описується ступеневою функцією, яка має максимум, зміщений від центру цілика у бік тунелю меншого діаметру і мінімум у поверхні тунелів, що дозволяє визначити інтегральне значення міцності цілика, як несучої конструкції;
  •  конструктивна міцність запобіжного цілика для одних і тих же гірничо-геологічних умов нелінійно залежить від ступеня крихкості, яка оцінюється відношенням межі міцності порід, що складають цілик, на одноосне розтягнення до межі міцності на одноосне стиснення, що дозволяє підвищити точність геомеханічних розрахунків. 

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше встановлені закономірності розподілу еквівалентних напружень у найбільш небезпечній з точки зору руйнування частині поперечного перерізу стрічкового запобіжного цілика, розташованого між тунелями з різними діаметрами поперечного перерізу;

- вперше виконана оцінка ступеня впливу крихкості гірських порід на міцність стрічкових запобіжних ціликів;

- запропонований новий спосіб інтегральної оцінки коефіцієнта міцності стрічкових запобіжних ціликів;

- вперше виконана оцінка ступеня впливу форми вибою тунелю, що споруджується  на рівень напруженого стану навколишнього породного масиву і визначені раціональні параметри форми вибою. 

Наукове значення роботи полягає у встановлені закономірностей розподілу напружень навколо несиметричної системи «породний масив-тунель-цілик» і обґрунтуванні умов тривалої міцності запобіжних стрічкових ціликів.

Практичне значення роботи полягає в:

- розробці і впровадженні методики розрахунку стрічкових запобіжних ціликів;

- обґрунтуванні нового способу визначення межі міцності слабких гірських порід на одноосне розтягування;

- розробці рекомендацій з раціональної форми вибою тунелів, що споруджуються. 

Обґрунтування та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується застосуванням апробованих методів досліджень, таких як механіка суцільного середовища, теорія розмірностей, теорія ймовірностей і математична статистика; задовільною збіжністю (до 85%) результатів лабораторних та чисельних експериментів. 

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Запропонована методика розрахунку параметрів геомеханічної системи «породний масив - тунель - цілик» використана науково-виробничою фірмою «ЕСПО» при розробці технічного проекту спорудження транспортного переходу під Керченською протокою.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети і основних завдань досліджень, зборі, обробці та аналізі інформації про міжнародні транспортні коридори, тунелі під протоками, виконанні лабораторних та аналітичних досліджень, розробці та впровадженні методики розрахунку стрічкових запобіжних ціликів при виконанні технічного проекту співробітниками науково-виробничої фірми «ЕСПО» (м. Сімферополь).

Апробація результатів досліджень. Результати досліджень доповідалися на засіданнях науково-технічної ради НПФ «ЕСПО» (м. Сімферополь, 2006-2009 р.р.), на міжнародній науково-технічній конференції «Форум гірників» (м. Дніпропетровськ, 2008 р., 2009 р.), на міжнародному колоквіумі ім. М.М.Протодьяконова (Німеччина, Фрайберг, 2009 р.), на міжнародному симпозіумі «Mining planning and equipment selection» (Канада, Калгарі, 2009 р.), на міжнародній науково-практичній конференції «Зимова школа геомеханіки» (Польща, м. Крініца, 2010 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 11 наукових працях, зокрема в 7 статтях в спеціалізованих виданнях і 4 статтях у збірниках конференцій. 

Структура і обсяг. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку літературних джерел з 124 найменувань і 3 додатків. Робота викладена на 112 сторінках машинописного тексту, містить 52 рисунки, 12 таблиць. Загальний обсяг дисертації становить 158 сторінок.

основний зміст роботи

Економічне благополуччя будь-якої промислово розвиненої країни складається з різних компонентів. Це кліматичні умови, мінеральні ресурси, промисловість, наявність кваліфікованих кадрів і багато іншого. У цьому переліку важливу роль відіграє транспортна складова, створення в країні національної мережі транспортних коридорів з послідовною її інтеграцією в транспортні системи Європи та Азії, Балтійського і Чорноморського регіонів.

За оцінкою англійського інституту «Рендел» Україна має найвищий у Європі коефіцієнт транзитності. Він дорівнює 3,11. Це показник, який характеризує потенційні можливості держави отримувати прибуток від транзитних перевезень.

Найважливішим фактором посилення ролі транспорту у зовнішньоекономічній діяльності країни є і транскордонність України: вона має найдовші кордони серед європейських країн.

Наявність міжнародних транспортних коридорів дозволяє організувати десятки тисяч робочих місць для їх створення та подальшого обслуговування.

Міжнародний транспортний коридор - це геотехнічна система, що знаходиться в зоні впливу автомобільних доріг і залізниць, морських і повітряних шляхів міждержавного призначення, включаючи будь-яку пов'язану з ними інфраструктуру.

На даний час у межах Європи функціонує 9 міжнародних транспортних коридорів (МТК). Частина з них - це МТК III, V, VIII, IX перетинають нашу країну в усіх напрямках. Особливу роль серед них відіграє транспортний коридор TRACECA, що з'єднує Західну Європу і Центральну Азію через Чорне море, Кавказ і Каспійське море. При цьому передбачаються паромні морські переправи, що розраховані на 100 000 контейнерів щорічно.

У межах України траси автомобільних і залізничних транспортних коридорів примикають до існуючих і таких, що будуються. На даний час в стані проектування та будівництва в Україні знаходяться наступні автомобільні магістралі:

1. Косини - Київ (МТК «Захід»);

2. Вінниця - кордон РФ (МТК «Схід»);

3. Кордон РФ - Одеса (МТК «Росія»);

4. Краковець - Підгайці (МТК «Галичина»);

5. Ягодин - Керч (МТК «Кавказ»).

У світі нерідко створення МТК викликає необхідність будівництва тунелів під морськими протоками. Це, наприклад, діючі і такі, що будуються, тунелі під Ла-Маншем, під Дарданелами, між Японськими островами, це тунелі, що проектуються, під Гібралтаром, під Беринговою протокою, між Сахаліном, материком і Японією та багато інших.

Одним з таких важливих елементів міжнародного транспортного коридору TRACECA, продовженням якого на території України є магістраль «Кавказ»-Ягодин-Керч, може бути тунель під Керченською протокою, якій з'єднає Кримський півострів з Краснодарським краєм. Передбачувана траса тунелю показана на рис. 1,а.

Транспортний перехід під Керченською протокою за проектом, розробленим науково-виробничою фірмою ЕСПО (м. Сімферополь), являє собою три паралельних тунеля: два транспортних (залізничних) і один (по центру) допоміжний. Максимальна глибина розташування тунелів - 110 метрів, довжина підземної частини тунелів - 15 км. Породи, що вміщують, за геологічним розрізом - щільні нетрищінуваті глини.

Першим за проектом споруджується центральний тунель, а потім – два транспортних. Через кожні 500 метрів тунелі з'єднуються збійками для забезпечення провітрювання і транспортних операцій (рис. 1,б).

Основне геомеханічне завдання при проектуванні такого транспортного переходу полягає в оцінці міцності запобіжних ціликів між тунелями, тобто в обґрунтуванні такої їх ширини, при якій вони забезпечать збереження тунелів протягом сотень років експлуатації.

В якості основних інструментів досліджень у роботі прийняті метод моделювання на еквівалентних матеріалах і метод скінчених елементів.

Рис. 1. Можливі траси тунелів під Керченською протокою (а)

та їх взаємне розташування (б)

Фізичне моделювання полягало у наступному. Для заданих гірничо-геологічних умов була підібрана еквівалентна трьохкомпонентна суміш на основі піску, парафіну і солідолу. Фізико-механічні параметри щільних глин і еквівалентного матеріалу наведені в таблицях 1 і 2. Співвідношення компонентів у складі суміші визначалося з використанням діаграм Гіббса-Розебома. Моделювалися цілики шириною 10, 15, 20, 25 і 30 м. Усього було випробувано 15 моделей.

Таблиця 1.

Фізико-механічні параметри гірських порід

Найменування порід

Межа міцності на стиск одноосний

, МПа

Межа міцності на розтяг одноосний

, МПа

Об'ємна

маса

, кг/м3

Модуль

пружності

Е, МПа

Коефіцієнт

Пуассона, 

μ

Щільні

глини

20

2

2480

240

0,37

Таблиця 2.

Фізико-механічні властивості еквівалентних матеріалів

Граничне навантаження,

, кН

Межа міцності,

, МПа

Середнє значення,

, МПа

Модуль

пружності

Е, МПа

Середнє значення,

, МПа

Коефіцієнт Пуассона,

Середнє

значення

Коефіцієнт варіації,

,%

4,85

0,194

0,2

23,5

24

0,42

0,4

9

5,25

0,210

25,0

0,37

4,88

0,195

24,5

0,39

5,10

0,204

24,0

0,4

У процесі експерименту для кожного з ціликів визначалася гранична величина навантаження, при якій система, що моделюється, вважалась зруйнованою. Шляхом поділу граничного навантаження на величину діючого встановлювався коефіцієнт запасу міцності цілика (геомеханічної системи).

Результати досліджень і отримана залежність коефіцієнта запасу міцності цілика від його ширини показані на рис. 2. 

Ця залежність має нелінійний вигляд. Запас міцності розглянутих ціликів змінюється від 1,25 до 6,2. При ширині цілика 20 м він згідно з експериментами дорівнює 2,9.

Напружено-деформований стан геомеханічної системи «масив-тунель-цілик» досліджувався методом скінчених елементів.

Рис. 2.Залежність коефіцієнта запасу міцності від ширини цілика

На початку розглядалася об'ємна задача (рис. 3), яка потім зводилася до плоскої деформації і досліджувалася за допомогою програмного продукту, розробленого на кафедрі будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету.

Рис. 3. Розрахункова схема геомеханічної системи

«породний масив-тунель-цілик»

Скінченоелементна реалізація розрахункової схеми плоскої деформації для оцінки напруженого стану досліджуваної геомеханічної моделі для заданих гірничо-геологічних умов наведена на рис. 4.

Рис. 4. Скінченоелементна апроксимація досліджуваної області

Рівень еквівалентних напружень у довільній точці масиву оцінювався за критерієм П.П. Баландіна, який, згідно з аналізом, найбільш точно описує процес руйнування різних гірських порід як крихких, так і пластичних:

.     (1)

Тут  - головні напруження,  - коефіцієнт крихкості (),  - відповідно межі міцності гірських порід на одноосне розтягнення і стиснення.

Умова руйнування порід у центрі довільного скінченого елементу має вигляд:

, відповідно .                              (2)

Тут  - локальний коефіцієнт запасу міцності цілика у центрі довільного елементу; - коефіцієнт структурного послаблення породного масиву, який визначається за формулою:

,     (3)

де η - коефіцієнт варіації міцності породного масиву, що дорівнює

,     (4)

lТ - середня відстань між тріщинами; l0 - характерний розмір стандартного породного зразка; η0 - коефіцієнт варіації результатів лабораторних випробувань породних зразків.

Для досліджуваних гірничо-геологічних умов  0,7.

Розподіл нормальних, дотичних та визначених за формулою П.П. Баландина напружень еквівалентних одноосному стисненню навколо тунелів показано на рис. 5-7.

На рис. 8 показано розподіл коефіцієнту запасу  міцності  по середньому горизонтальному перерізу цілика шириною 20 м у найбільш вузькій і, отже, найбільш небезпечній в сенсі руйнування його частини.

Рис. 5. Розподіл нормальних напружень :

а) навколо тунелю; б) уздовж середньої лінії цілика

Рис. 6. Розподіл дотичних напружень :

а) навколо тунелю; б) уздовж середньої лінії цілика

Рис. 7. Розподіл еквівалентних напружень :

а) навколо тунелю; б) уздовж середньої лінії цілика

Рис. 8. Розподіл коефіцієнту запасу міцності

вздовж середньої лінії цілика (а = 20 м)

У дисертації запропонований спосіб отримання середньої, інтегральної, величини коефіцієнта запасу міцності, що характеризує міцність всього цілика, як несучої конструкції.

Розрахунки показали, що при ширині цілика 20 м його запас міцності в розглянутих гірничо-геологічних умовах дорівнює 3,43. Загальну залежність коефіцієнта запасу міцності цілика від його ширини, отриману аналітичним шляхом, наведено на рис. 9. Порівняння її з залежністю, яка була отримана раніше на фізичних моделях, показало їх досить близький збіг. Її аналітична апроксимація має вигляд:

,  (5)

де  - інтегральне значення коефіцієнту запасу міцності;  - ширина цілика.

Рис. 9. Залежність середнього значення коефіцієнта запасу міцності

від ширини стрічкового цілика

В дисертації проаналізовані результати реологічних досліджень, що виконані різними дослідниками на зразках щільних глин (Великобританія, Японія, Росія, Україна), калійної та кам’яної солі, аргіліту, алевроліту. Усі досліджувані породи мали приблизно однакову міцність на одноосьовий стиск. Встановлено, що при навантажені, яке не перевищує 30 % від руйнуючого, зразки різних пород деформуються у часі подібним чином за ступеневою залежністю. Вплив часу на стійкість геомеханічної системи «породний масив-тунель-цілик» досліджений на основі багаторічних спостережень за руйнуванням ціликів в умовах Верхнекамського родовища калійних солей. Отримана формула зміни міцності цілика у часі, яка досить близько описується ступеневою залежністю виду:

,       (6)

де а, b – коефіцієнти, які для гірничогеологічних умов, що розглядаються, дорівнюють а = 1,5; b = 0,13.

Відповідно до розрахунків час збереження несучої здатності ціликів між тунелями складає, приблизно, 350 років. Цього достатньо для того, щоб рекомендувати для проектного опрацювання цілики 20-метрової ширини.

У дисертації виконана оцінка впливу структурних особливостей порід, що складають цілики, на їх міцність. Структура порід оцінювалася коефіцієнтом крихкості , який є відношенням межі міцності порід на одноосьове розтягнення до межі міцності на одноосьовий стиск. На рис. 10 показаний вплив цієї величини на коефіцієнт запасу міцності для ціликів різної ширини, який є досить значним.

Рис. 10. Залежність коефіцієнта запасу стійкості від структури порід

Точність визначення коефіцієнта крихкості суттєво залежить від точності визначення межі порід на розтягнення. Для слабких порід це досить складна задача. У дисертації запропоновано спосіб визначення величини межі міцності на одноосьове розтягнення для слабких порід, що дозволило більш точно визначати величину коефіцієнта крихкості. Відповідна формула для її опосередованного  розрахунку має вигляд:

,      (7)

де  - межа міцності порід на чистий зсув.

В дисертації наведено конструкцію приладу і методику визначення межі міцності слабких порід на одноосьове розтягнення.

Стійкість тунелів залежить від ступеня руйнування порід у приконтурній області, яка визначається рівнем діючих напружень. Форма вибою тунелю, як показали розрахунки, сильно впливає на величину напружень. Транспортні тунелі за проектом передбачається проходити, використовуючи комбайни типу  П-110, або подібні, селективної дії зі стрілоподібним виконавчим органом, який дозволяє надавати вибою різний обрис. На рис. 11 показана технологія спорудження транспортних тунелів, що припускає наявність двох вибоїв, які знаходяться на відстані 250-300 м один від одного.

Рис. 11. Проходка тунелю механізованим щитом (а) і

комбайнами селективної дії (б)

Вплив форми вибою на ступінь руйнування порід оцінювалася відношенням, що витікає з рис. 12,а

,      (8)

де   - геометричні параметри кутової частини вибою (при  забій має прямокутну форму, при  форма вибою згладжується).

Рис. 12. Схема до оцінки форми вибою тунелю (а);

змінення максимального коефіцієнту руйнування в привибійній області

відносно параметрів форми вибою: пунктир – результати моделювання;

суцільна – апроксимація ступеневої функції (б)

Змінюючи відношення , можна зменшити концентрацію напружень навколо вибою і надати йому найбільш раціональну форму. При співвідношенні 0,25 параметри комбайну дозволяють надати вибою форму, при якій руйнування порід буде значно меншим, а стійкість тунелю, відповідно, суттєво більшою, ніж при вибої прямокутної форми (рис. 15,б). Це співвідношення рекомендовано використовувати при проектуванні тунелю фірмою ЕСПО. Ступінь руйнування порід на графіку 12,б оцінювався величиною, що є зворотною коефіцієнту міцності.

У результаті досліджень встановлено, що достатня ширина стрічкового запобіжного цілика становить 20 м. При цьому буде забезпечена тривала експлуатаційна можливість підземного переходу на строк не менше 350 років. У технічному проекті, розробленому науково-виробничою фірмою «ЕСПО», ширина ціликів передбачена такою, що дорівнює 25 м. При цьому паралельні тунелі через кожні 500 м будуть з'єднуватися збійками, які мають перетин діаметром 6,2 м начорно, як показано на рис. 13.

Кількість збійок при довжині тунелів 15 км дорівнює шістдесяти. За пропонованим в дисертації варіантом довжина кожної збійки на 5 м коротше, ніж за варіантом фірми «ЕСПО». У підсумку загальна довжина збійок буде коротшою на 300 м. Вартість 1 м тунелю діаметром 6,2 м за аналогією з вартістю такого ж перегінного тунелю метро, пройденого в щільних суглинках, з урахуванням проектних робіт, становить, за станом цін 2009 року, 14000 грн/м. Таким чином, економія коштів за прямими витратами складе 4.2 млн.грн. 

Рис. 13. Схема виробок підземного переходу в плані

На основі викладених досліджень розроблені і прийняті до використання Науково-виробничою фірмою «ЕСПО» «Методика розрахунку запобіжних ціликів між транспортними тунелями» та «Рекомендації щодо обґрунтування раціональної форми вибою тунелів».

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей розподілу напружень в стрічкових запобіжних ціликах, що обмежені тунелями різних розмірів, вирішена актуальна науково-технічна задача оцінки тривалої несучої здатності геомеханічної системи «породний масив-тунель-цілик» і обґрунтована така ширина ціликів, яка забезпечує ефективну експлуатацію підземного переходу під Керченською протокою.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

  1.  Обґрунтована необхідність спорудження підземного переходу під Керченською протокою, що дозволить підвищити ефективність і надійність функціонування міжнародного коридору TRACECA.
  2.  Виконаний аналіз інформаційних джерел у галузі будівництва тунелів під протоками і розрахунків стрічкових запобіжних ціликів, що дозволило обґрунтувати мету, вибрати і сформулювати основні завдання досліджень.
  3.  Встановлені закономірності розподілу напружень в стрічкових запобіжних ціликах, обмежених тунелями, що мають різні діаметри поперечного перерізу, що дозволило розробити метод інтегральної оцінки їх несучої здатності і обґрунтувати їх ширину, що дорівнює 20 м, при якій забезпечується  безпечна робота підземного переходу протягом 350 років експлуатації.
  4.  Доведений факт впливу коефіцієнта крихкості гірських порід на несучу здатність стрічкових запобіжних ціликів, що дозволило підвищити надійність розрахунку їх ширини.
  5.  Запропонований новий спосіб визначення межі міцності на одноосне розтягання слабких гірських порід, що дозволило підвищити точність встановлення коефіцієнта крихкості.
  6.  Досліджений вплив форми вибою тунелів, що споруджуються на величину концентрації напружень в приконтурному породному масиві і рекомендовані такі її параметри, при яких стійкість підземного переходу буде максимальною.
  7.  Розроблені і затверджені технічною радою науково-виробничої фірми «ЕСПО» «Методика розрахунку стрічкових запобіжних ціликів між тунелями підземного переходу під Керченською протокою» та «Рекомендації щодо вибору раціональної форми вибою тунелів».
  8.  Виконані дослідження дозволили обгрунтовано зменшити ширину стрічкових запобіжних ціликів на 5 м у порівнянні з проектною і за рахунок цього скоротити загальну довжину збійок на 300 м, внаслідок чого отримано умовний економічний ефект в розмірі 4,2 млн.грн.

Основні результати досліджень опубліковані у наступних роботах:

1. Шашенко Д.А. К оценке устойчивости предохранительных целиков методом конечных элементов / Е.А. Сдвижкова, Д.А. Шашенко // Геотехническая механика: Межвед. сб.научн. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск. – 2007. – Вип. 73. – С. 300 – 305.

2. Шашенко Д.А. Оценка устойчивости предохранительных целиков между тоннелями под Керченским проливом / Н.Д. Глухов, Д.А. Шашенко Д.А. // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2008. – № 11. – С. 11 – 14.

3. Шашенко Д.А. Влияние структуры горных пород на прочность ленточных целиков / Д.А. Шашенко // Геотехническая механика: Межвед. сб.научн. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск. – 2008. Вип. 78. – С. 109 – 112.

4. Шашенко Д.А. Расчет на прочность ленточных целиков / Д.А. Шашенко // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2009. – № 10. – С. 10 – 11.

5. Шашенко Д.А. Транспортная составляющая в экономике Украины / Д.А. Шашенко // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2009. – № 12. – С. 95 – 98.

6. Шашенко Д.А. Обоснование целесообразности строительства подземного транспортного перехода под Керченским проливом / Н.Д. Глухов, Д.А. Шашенко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Гірничо-геологічна» Донецьк. – 2010. – Вип. № 11 (161). – С. 44 – 48.

7. Шашенко Д.А. Способ определения прочности горных пород на одноосное растяжение / Р.Н. Терещук, А.Э. Кипко, Д.А. Шашенко // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2010. – № 1. – С. 8 – 9.

8. Шашенко Д.А. / Геополитическое значение подземного транспортного перехода под Керченским проливом / Н.Д. Глухов, Д.А. Шашенко // Матеріали міжнародної конференції «Форум гірників – 2008». – Д.: Національний гірничий університет. – 2008. – С. 161 – 162.

9. Шашенко Д.А. Оценка запаса прочности ленточных предохранительных целиков / Е.А. Сдвижкова, Н.В. Хозяйкина, Д.А. Шашенко // Матеріали міжнародної конференції «Форум гірників – 2009». – Д.: Національний гірничий університет. – 2009. – С 27 31.

10. Шашенко Д.А. Обоснование ширины предохранительных целиков при сооружении подземного транспортного перехода под Керченским проливом / Е.А. Сдвижкова, Н.В. Хозяйкина, Д.А. Шашенко // Girnictwo s geoinzynierie: Kwartalnik akademii Gorniczo-Hutniczei im Stanislawa Stuszica w Krakowie. - Krakow. – 2010. Rok 34 zoszyt 2. – З. 553-560.

11. Sdvyzhkova O. Shashenko D. Parameters of safety pillars between the tunnels under the Kerch Strat // Technischer Universstat Bergakademie Freiberg, Germany. Scientific Reports on resource Issues 2010. Volume 2. Mechanical characteristics of Rock. P. 151-156.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві: [1, 2, 9, 10, 11] – розробка розрахункових схем, аналіз результатів чисельного моделювання, формулювання висновків; [5, 8] – аналіз джерел інформації, постановка задач досліджень; [6] – виконання і аналіз лабораторних досліджень.

Анотація

Шашенко Д.О. Геомеханічне обґрунтування тривалої стійкості запобіжних ціликів між транспортними тунелями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 - "Геотехнічна і гірнича механіка". - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2010.

У роботі виконане дослідження тривалої стійкості запобіжних ціликів, що розташовані  між тунелями, прокладеними під Керченською протокою. Виконаний аналіз світового досвіду розвитку технологій спорудження тунелів під протоками. Проаналізовано методи розрахунків стрічкових запобіжних ціликів. Основне рішення задачі полягає у визначенні коефіціенту запасу міцності ціликів методом скінчених елементів і на моделях з еквівалентних матеріалів. Запропонована методика оцінки інтегральної міцності ціликів, як охоронних конструкцій. Ураховані реологічні ефекти. Вивчений вплив структури глинистих порід на тривалу стійкість ціликів. Запропонований спосіб отримання в лабораторних умовах межі міцності слабких порід на розтягання. Вивчений вплив форм вибою на розподіл критичних напружень у приконтурних  породах. Запропоновано «Методику розрахунку стрічкових запобіжних ціликів» та «Рекомендації щодо вибору раціональної форми вибою тунелів» які були використані фірмою ЕСПО при проектуванні підземного переходу.

Ключові слова: тунель, запобіжний цілик, напружено-деформований стан, запас міцності, структура гірських порід, форма вибою.

аннотация

Шашенко Д.А. Геомеханическое обоснование длительной прочности предохранительных целиков между транспортными тоннелями. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени  кандидата технических наук по специальности 05.15.09 – «Геотехническая и горная механика». – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2010.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи, которая заключается в геомеханическом обосновании длительной прочности предохранительных целиков заданных размеров, расположенных между тремя тоннелями, проведенными под дном Керченского пролива. Целесообразность сооружения тоннелей обосновывается необходимостью создания международного транспортного коридора, проходящего по территории Украины через Крым на Кавказ.

Обзор источников информации показал, что наличие транспортных коридоров на территории страны – реальных и проектируемых – стабилизирует экономику, создает дополнительные рабочие места. Часто создание таких транспортных артерий происходит благодаря тоннелям, проложенным под дном проливов (Гибралтар, Ла-Манш, Дарданеллы, Берингов пролив и т.п.). Обычно это три транспортных тоннеля. Экономичность такой транспортной системы тем выше, чем ближе  располагаются тоннели друг к другу. Это расстояние ограничивается шириной целика, которая требует геомеханического обоснования.

В качестве основных методов исследований приняты метод моделирования на эквивалентных материалах и метод конечных элементов (МКЭ). Физическое моделирование выполнено на основе песчано-парафино-солидоловых смесей. Испытано 15 моделей для целиков шириной 5, 10, 15, 20, 25 м. Установлено, что при этом запас прочности изменяется, примерно, от 1,25 до 6,2. Для целиков шириной 20 м запас прочности составил 2,94.

Численное моделирование было сведено к определению интегрального коэффициента запаса прочности вдоль наиболее узкой части целика. Установлена зависимость коэффициента запаса прочности от ширины целика. При этом для целика шириной 20 м запас прочности равен 3,43.

Выполнена оценка влияния структуры пород целика на его несущую способность. Предложен способ определения коэффициента хрупкости для слабых пород.

Исследовано влияние формы забоя проводимых тоннелей на степень  разрушения приконтурного породного массива. Определены такие геометрические соотношения формы забоя, при которых устойчивость тоннелей будет максимальной.

Выполнена экономическая оценка предложенного для проектной проработки варианта, когда ширина целика, обеспечивающая его надежную  работу в течение 350 лет, равна 20 м.

Ключевые слова: тоннель, предохранительный целик, напряженно-деформированное  состояние, запас прочности, структура горных пород, форма забоя.

Annotation

Shashenko D.О. Geomechanical substantiation of a long-term stability of safety pillars between transport tunnels. - Manuscript. 

Dissertation for Ph.D. degree in the specialty 05.15.09 - "Geotechnical and Rock mechanics. - National Mining University, Dnepropetrovsk, 2010.

The work provides research of long-term safety pillars, located between tunnels built under the Kerch Strait. The basic solution of the problem is to determine the rate of pillars strength with the finite element method. Rheological effects are accounted. Influence of structure of rock mass for long-term stability of pillars is studied. The estimation of the influence of the rock structure on its bearing capacity is founded. A method for determining safety factor for weak rocks is developed. Influence of passage form to the distribution of forms of critical stresses in the surrounding rocks is learned. A calculation method for long-term strength of safety pillars that was used by ESPO Company in the projects of subways is offered.

Keywords: tunnel, safety pillar, stress deformation, safety factor, structure of rocks, form of passage.

Шашенко Дмитро Олександрович

Геомеханічне обґрунтування тривалоїстійкості запобіжних ціликів між транспортними тунелями

(Автореферат)

Підписано до друку 23.09.2010. Формат 60×90/16.

Папір офсет. Ризографія. Ум. друк. арк. 1,1

Обл.-вид. арк. 1,1. Тираж 120 прим. Зам. №     .

Національний гірничий університет

49600, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34852. Анализ чувствительности ЧДД к различным факторам 29.5 KB
  Переменные которые подвергают изменению: а переменные затраты проекта б постоянные затраты проекта в цена единицы продукции выпускаемой в рамках этого проекта. 2 Применяется для анализа чувствительности одного проекта при условии что известны нормативы отклонения всех переменных. на собственном опыте или из литературных источников установить примерное удорожание объекта в ходе строительства примерную величину роста инфляции и других параметров проекта. Переменные которые подвергаются изменению: а смета капитальных вложений б величина...
34853. Операторы 99 KB
  При этом каждый из операторов выполняет некоторое действие над данными. Операторы ТР подразделяются на две группы: простые и структурированные. Простые операторы не содержат в себе других операторов структурированные включают в себя другие операторы – как простые так и структурированные.
34854. Операторы цикла 77 KB
  Для любого оператора цикла вход в цикл возможен только через его начало выход осуществляется как вследствие естественного окончания цикла так и путем выполнения оператора перехода GOTO или процедур выхода содержащихся внутри цикла. Счетный оператор цикла FOR реализует циклический процесс с известным числом повторений и имеет две формы записи: Первая форма позволяет наращивать параметр цикла на единицу: FOR параметр цикла := min.значение DO оператор ; параметр цикла это переменная целого либо любого порядкового типа min и mx...
34855. Процедуры прерываний 78 KB
  00 Типизированные константы Пример . c1 и c2 – идентификаторы обычной и типизированной констант type – тип константы данный элемент присутствует в описании только типизированной константы – это и является её основной внешней отличительной особенностью; vlue – значение...
34856. Матрицы (математика) 93 KB
  Для обработки наборов данных одного типа вводится понятие массива. Одномерные массивы Описание типа массива задается в разделе описаний TYPE следующим образом: имя типа =RRY [диапазон индексов] OF тип ; здесь имя типа правильный идентификатор; RRY OF – зарезервированные слова массив из; диапазон индексов – границы изменения индексов; тип – любой тип ТурбоПаскаля. Здесь 12345 – индексы элементов массива номера ячеек в которых они находятся; 5601029 – элементы массива типа INTEGER. Тогда тип данного...
34857. Историческая справка 74 KB
  Среда программирования позволяет создавать тексты программ компилировать их находить ошибки и оперативно их исправлять компоновать программы из отдельных частей включая стандартные модули отлаживать и выполнять отлаженную программу. В них сгруппированы близкие по своему роду действия условное название которых находится в главном меню: File файл работа с файлами и выход из системы; Edit редактировать операции с буфером редактора текстов; Serch искать поиск текста процедуры функции места ошибки; Run выполнить ...
34858. Типы данных и их классификация. Вещественные типы данных 973 KB
  Под типом данных понимается множество допустимых значений этих данных а также совокупность операций над ними. Тип позволяет точно определить как следует интерпретировать те или иные данные. Чтобы этого избежать такой переменной при объявлении должен быть присвоен один из целочисленных типов. Иными словами принятая в Turbo Pscl типизация переменных позволяет исключить ошибочную интерпретацию данных и повышает надёжность программ.
34859. Алфавит и зарезервированные слова 47 KB
  Алфавит языка Turbo Pscl Для записи программы на языке ТР используется набор знаков включающий буквы цифры и специальные символы. Вот эти слова: ND GOTO PROGRM SM IF RECORD RRY IMPLEMENTTION...
34860. Закон попиту, вплив на попит цінових і неціновихфакторів 144.5 KB
  Закон попитувплив на попит цінових і неціновихфакторів Рішення які приймаються учасниками ринкових взаємовідносин каються насамперед у бажанні і можливості продавати і купувати товари іуги або ресурси. Розмір попиту кількість благ і послуг котрі споживачі готові й ь змогу купити по деякій ціні і протягом певного періоду часу. Якщо абстраіуватися від різних чинників що впливають на ціну іру і попит на цей товар то можна сказати що корінна властивість попиту ігає в наступному: зниження ціни веде до відповідного...