Физическое моделирование динамических воздействий на подземные сооружения, основные положения теории подобия. (Лекция 12)

1. Дисциплина: Моделирование и расчёт подземных сооружений на сейсмическое воздействие Лекция 12. Физическое моделирование динамических воз

Дисциплина:
Моделирование и расчёт подземных сооружений
на сейсмическое воздействие
Лекция 12. Физическое моделирование динамических
воздействий на подземные сооружения, основные
положения теории подобия.
ЮШКИН Владимир Федорович
Новосибирск – 2015
1

2. Методическая литература к лекции 12 1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. – М: Минрегио

Методическая литература к лекции 12
1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная
редакция СНиП II-7-81*. – М: Минрегион РФ, 2011. – 84 с.
2. ВСН 193-81. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании
горных транспортных тоннелей. – М.: Минтранстрой СССР, 1982. – 67 с.
3. Дорман И. Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей. – М.: Информационноиздательский центр ТИМР, 2000. – 307 с.
4. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. – М.: Наука , 1977. – 440 с.
5. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. - М.: Высшая школа, 1976. - 479 с.
6. Покровский Г. И., Федоров И. С. Центробежное моделирование в строительном деле.
- М.: 1968.
7. Покровский Г. И., Федоров И. С. Центробежное моделирование в горном деле, М.,
1969;6. Основы научных исследований / Под ред. А. А. Лудченко. - 2-е изд., стер. - К.:
О-во "Знания", КОО, 2001. - 113 с.
8. Бадьянов В. А. Методы компьютерного моделирования нефтяных месторождений в
задачах нефтепромысловой геологии. Автореф. дис. д.г.-м.н.: 04.00.17. - Тюмень, 1998.
9. Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Рыжик В. М. Движение жидкостей и газов в природных
пластах. - М.: Недра, 1984. - 208 с.
10. Букаты М. Б. Разработка программного обеспечения в области нефтегазовой
гидрогеологии // Разведка и охрана недр. - 1997. - № 2. - С. 37-39.
11. Букаты М. Б. Разработка программного обеспечения для решения
гидрогеологических задач // Известия ТПУ. - 2002. - Т. 305. - Вып. 6. С. 348-365.
12. Азиз Х., Сеттари Э. Математическое моделирование пластовых систем. - М.: Недра,
1982. - 407 с.
13. Хасанов М. М., Мирзаджанзаде А. Х., Бахтизин Р. Н. Моделирование процессов
2
нефтегазодобычи. - Ижевск: ИКИ, 2004. - 368 с.

3. Моделирование как метод исследования широко используют в различных областях современного естествознания и техники: аэромеханике, гидрав

Лекция 12. Физическое моделирование динамических
воздействий на подземные сооружения, основные
положения теории подобия.
Моделирование как метод исследования широко используют в различных областях
современного естествознания и техники: аэромеханике, гидравлике, самолетостроении,
различных областях машиностроения, гидротехническом строительстве, геомеханике
горном деле и т. д.
Модели - это инженерные представления, которые могут быть материализованы в виде
физических моделей или сформулированы математически.
Исходя из этого по принципам, на которых основано моделирование, различают
моделирование двух видов: физическое и математическое.
Физическое моделирование предусматривает воссоздание в физической модели тех
же самых или аналогичных физических полей, что действуют в объекте натуры, лишь
измененных по своим абсолютным значениям в соответствии с масштабом
моделирования. Одним из основных преимуществ физического моделирования
является возможность осуществления прямых наблюдений за моделируемыми
процессами и явлениями, иногда это преимущество является решающим.
В физическом моделировании выделяется аналоговое моделирование, которое
предусматривает замену в модели по сравнению с натурой одних физических полей
другими, например замену натурного поля механических напряжений электрическим
полем в модели или замену поля механических напряжений картиной оптической
анизотропии в оптически чувствительных прозрачных материалах. Таким образом, на
аналоговых моделях изучают закономерности явлений и процессов, протекающих в
натурных объектах, используя математическую аналогию различных по физической
природе процессов, т. е. математическую тождественность основных законов,
3
совпадение дифференциальных уравнений, описывающих эти процессы.

4.

В отличие от физического математическое моделирование предусматривает
построение некоторых идеализированных схем или математических моделей
исследуемых процессов или явлений и их исследование аналитическими методами.
Исходя из этого, методы математического моделирования относят к теоретическим
методам исследования. Моделирование в геомеханике и тонелестроении получило
широкое развитие вследствие ряда объективных обстоятельств.
Как известно, массив горных пород является весьма сложной средой, которая к
тому же находится под одновременным воздействием большого числа факторов
как естественного, так и техногенного происхождения.
В результате в различных частях одного и того же участка породного массива при
ведении горно-строительных работ одновременно могут происходить процессы
деформирования различного характера - процессы упругого деформирования,
необратимые пластические деформации, процессы смещений и разрушений пород с
разрывом сплошности. Кроме того, в каждой конкретной точке массива имеет место
своя конкретная ситуация, своё сочетание действующих факторов и поэтому результаты
натурных исследований, как правило, всегда имеют некоторый, иногда весьма
существенный разброс, и вследствие этого могут обладать недостаточной общностью.
Следует добавить, что в натурных условиях обычно ограничены возможности
варьирования параметрами системы, технологией и последовательностью ведения
горно-строительных работ, тогда как при моделировании можно проследить влияние
основных параметров в самых широких пределах.
Вместе с тем при построении любого вида моделей воспроизводятся только общие,
принципиально существенные особенности изучаемых явлений и чётко отбираются
действующие факторы, которыми в процессе модельных исследований можно
варьировать. Например, применительно к такому объекту, как горные породы,
невозможно в полной мере воспроизвести микротрещиноватость и мелкоблоковую
4
трещиноватость, даже при очень крупных масштабах моделирования.

5.

Таким образом, учитывая преимущества и недостатки обоих подходов, можно сказать, что
оптимальное сочетание натурных исследований с моделированием позволяет
всесторонне исследовать изучаемые процессы и явления, выявить как общие
закономерности, так и влияние отдельных факторов и при этом существенно экономить
материальные затраты и время.
Физическое моделирование бывает двух типов: с увеличением и с уменьшением
масштаба системы. В геомеханике и тоннелестроении изучаются, как правило, объекты
весьма больших размеров, поэтому здесь целесообразно применять моделирование
второго типа, т. е. с уменьшением абсолютных размеров объектов.
При решении задач геомеханики и тоннелестроения методами моделирования обычно
испытывают серию моделей, причем используя наиболее эффективный для решения
поставленной задачи метод, испытывают модели разных масштабов.
Например, сначала на моделях мелкого масштаба изучают общие закономерности
процессов геомеханики в пределах всего участка массива, подверженного влиянию
выработки, а затем на моделях крупного масштаба с большей детальностью изучают
закономерности процессов в более локальной области массива, например, процессов
взаимодействия пород кровли с крепью очистной выработки. При этом обычно в модели
крупного масштаба воспроизводят лишь некоторую часть массива, а действие веса
остальной части массива до поверхности компенсируют с помощью пригрузки,
осуществляемой нагрузочными приспособлениями различного типа.
5

6.

Основные положения теории подобия.
В основе методов моделирования лежит учение о подобии, основы которого заложены
И. Ньютоном. Чтобы получить корректные результаты необходимо обеспечить подобие
модели и натуры, т. е.
1) подобие геометрических свойств систем;
2) пропорциональность физических констант, имеющих существенное значение в
изучаемом процессе;
3) подобие начального состояния систем;
4) подобие условий на границах систем в течение всего рассматриваемого периода
процесса;
5) равенство определяющих критериев подобия , при этом определяющими
критериями являются те, которые имеют существенное значение в изучаемом
процессе.
При характеристике того или иного механического процесса механическое подобие может
быть определено заданием переходных множителей или масштабов для:
- длин (геометрическое подобие);
- времени (кинематическое подобие);
- масс (динамическое подобие).
6

7.

Для двух подобных систем условие геометрического подобия состоит в том, что все
размеры пространства, занятого системой в модели, и размеры отдельных элементов
модели изменены в определенное число mL раз по сравнению с соответствующими
размерами натуры:
Lм / Lн= mL,
(12.1)
где Lм и Lн - соответственно линейные размеры модели и натуры.
Условие кинематического подобия этих систем состоит в том, что любые сходственные
точки (частицы) систем, двигаясь по геометрически подобным траекториям, проходят
геометрически подобные пути в промежутки времени Т, отличающиеся постоянным
множителем mТ
Тм / Тн= mТ,
(12.2)
где Тм и Тн - соответственно промежутки времени модели и натуры.
Условие динамического подобия систем состоит в том, что массы М любых
сходственных частиц этих систем отличаются друг от друга постоянным множителем mМ
Мм / Мн= mМ,
(12.3)
где Мм и Мн - соответственно массы модели и натуры.
Особенности объектов геомеханики состоят в том, что при заданном геометрическом
масштабе моделирования (mL= Lм / Lн) для обеспечения механического подобия модели и
натуры необходимо отказаться в модели либо от равенства параметров прочности sм = sн,
либо от равенства весовых параметров gм = gн, либо от равенства обоих показателей.
7

8.

Если сохранить в модели равенство напряжений натуре (другими словами, равенство
механических свойств материала модели и натуры), т.е. условие sм = sн, то необходимо
обеспечить, чтобы объемный вес материала был больше в число раз, обратное
геометрическому масштабу.
Например, при геометрическом масштабе модели mL= Lм / Lн = 1/100 объемный вес
материала модели должен быть равен
gм = (Lн1 / Lм mL)gн = 100gн.
(12.4)
Условие (12.4) можно выполнить, применив в модели натуральные горные породы и
придав им фиктивный объемный вес (100gн в приведенном случае при mL = 1/100) с
помощью инерционных сил, которые могут быть созданы, например, путем вращения
модели в центрифуге при соответствующем значении центробежной силы. Этот метод
предложен в 1932 г. профессорами Г. И. Покровским и Н. Н. Давиденковым и носит
название метода центробежного моделирования.
Если же в модели применить некоторые искусственные материалы, механические
характеристики которых ниже соответствующих характеристик моделируемых горных
пород, т. е. отказаться от равенства sм = sн, то для обеспечения условий механического
подобия модели и натуры необходимо
sм = (Lм gм / Lн gн)sн.
(12.5)
Искусственные материалы, соответствующие механические характеристики которых в
принятом геометрическом масштабе моделирования удовлетворяют по отношению к
моделируемым горным породам условию (12.5), называют материалами - эквивалентами
данным горным породам или эквивалентными материалами.
Метод моделирования, основанный на применении эквивалентных материалов,
предложен в 1936 г. проф. Г. Н. Кузнецовым, и носит название метода эквивалентных
материалов.
8

9.

При моделировании системы в соответствующем геометрическом масштабе
продолжительность тех или иных процессов обычно изменяется. В связи с этим существенно
важное значение имеет вопрос о масштабе времени при моделировании, который в общем
случае определяется, исходя из приведенного выше условия кинематического подобия двух
систем (12.2).
В тех случаях, когда на моделях воспроизводят сразу несколько процессов, масштабы
времени для отдельных из них могут оказаться неодинаковыми В таких случаях масштаб
времени устанавливают, исходя из соблюдения подобия в протекании лишь тех процессов,
которые в решаемой задаче являются основными и не учитывают малозначащие элементы.
Нагружение физических моделей осуществляется:
•созданием усилий на контуре модели при помощи механических и гидравлических
домкратов или заданием деформаций контура посредством жёстких ограничителей;
•собственным весом модели массива;
•посредством центробежных сил, возникающих в центрифуге;
•с помощью сил сопротивления сдвигу, как это делается в моделях с фрикционной
базой.
Последний метод предложен Р. Гудманом в 1971 г., такие модели представляют собой
плоские установки, в которых гравитационные силы имитируются силами трения,
возникающими при протягивании ленты под моделью объектов (рис.12.1). При этом сила
веса моделируется силами трения, возникающими при протяжке ленты под моделью,
упирающейся в фиксированную планку.
9

10.

Рис. 12.1. Установка с фрикционной базой.
10

11.

Метод центробежного моделирования.
Метод центробежного моделирования состоит в том, что модель из горных пород
моделируемого объекта, выполненную в заданном геометрическом масштабе, помещают
в каретку центрифуги (рис 12.2) и путем равномерного вращения нагружают объемными
инерционными силами, придавая тем самым породам модели некоторый фиктивный
объемный вес в соответствии с формулой (12.4). Фиксируя деформации и напряжения
пород модели в различных точках, изучают таким путем закономерности процессов
геомеханики для моделируемых условий, а также устанавливают оптимальные параметры
горнотехнических объектов и сооружений по фактору устойчивости.
Рис 12.2. Конструкция центрифуги.
а - расчётная схема для определения основных параметров;
б - конструктивная схема. 1 - фундамент; 2 - вертикальная ось;
3 - подшипники; 4 - коромысло; 5 - вилки для крепления
подвесок; 6 - каретки; 7 - электродвигатель постоянного тока;
8 - коллектор; 9 - основание модели; 10 - модель.
11

12.

Современные центрифуги позволяют испытывать модели высотой до 0,4—0,5 м. Обычно
применяемый масштаб центробежного моделирования n находится в пределах от 20 до 500
в зависимости от решаемых задач.
Метод центробежного моделирования с успехом и большой степенью надежности применяют
при решении задач, связанных с определением размеров устойчивых потолочин камер,
оптимальной формы и параметров бортов карьеров и отвалов, давления обрушенных пород
на днища очистных блоков, влияния длительной нагрузки на крепь капитальных выработок,
пройденных в пластичных глинистых породах и др. Использование специальных устройств
позволяет моделировать в центрифуге одновременное действие статического поля
напряжений и динамического поля, создаваемого при взрывных работах.
Одним из достоинств центробежного моделирования является то, что это единственный из
методов моделирования, в котором благодаря использованию натуральных горных пород
соблюдается соответствие между размерами частиц и молекул. Для некоторых задач это
имеет важное значение.
Вместе с тем метод центробежного моделирования имеет ряд ограничений. Одно из них
состоит в том, что, строго говоря, центробежное моделирование не обеспечивает
однородности механического силового поля. Это обстоятельство, а также технические
возможности ограничивают предельные размеры моделей по высоте и возможные глубины
моделируемой толщи пород.
При центробежном моделировании крайне затруднительно или невозможно воспроизводить
слоистые толщи разнородных по составу и свойствам пород. Большие технические
трудности представляет воспроизведение в модели перемещения забоя во времени.
12

13.

Пример. Использование центробежного моделирования для прогноза осадок песчаной
насыпи на заторфованной толще показало его конкурентоспособность с полевыми
исследованиями. Изучение деформируемости двухслойного основания проводилось на
центробежной машине в НИИ оснований и подземных сооружений. Для опытов отбирались
монолиты торфа из г. Нижневартовска (Тюменская обл.). Исходя из принятого масштаба
моделирования, толщина образцов торфа в опытах составляла 200 мм, что эквивалентно
толщине натурного слоя в 3 м. Толщина слоя песка, отсыпаемого на образец торфа в
различных сериях опытов, принималась соответственно 33, 66 и 100 мм, что в естественных
условиях эквивалентно песчаной подсыпке толщиной 0,5; 1 и 1,5 м. Сопоставление осадок
насыпи на торфяной толще в этих опытах с натурными данными позволило установить
расхождение в среднем на 10—15%.
Опыты позволили установить, что по истечении срока, обеспечивающего 80—90%
консолидации осадки на подготовленной намывом площадке, можно вести работы по
устройству фундаментов, в том числе свайных, так как при последующем уплотнении торфа
не наблюдается отрицательного трения по поверхности свай.
Центробежное моделирование - метод физического моделирования, применяемый для
изучения на моделях свойств(характеристик) инженерных сооружений, находящихся под
действием сил тяжести. Чаще всего центробежное моделирование используют при изучении
сооружений из грунта или сооружений, взаимодействующих с грунтом (откосы, насыпи,
плотины, фундаменты, подземные сооружения и др.). Цель исследований - определение
возникающих в сооружении деформаций и напряжений, т. е. условий, при которых
сооружению не грозит разрушение, или установление причин и характера разрушений и т.п.
13

14.

При центробежном моделировании необходимо выполнение подобия критериев. Когда
основная нагрузка на сооружение обусловлена действием сил тяжести, а модель
изготовлена из того же материала, что и натура, этот критерий имеет вид:
g1l1 = gl,
(12.6)
где g и / - ускорение силы тяжести и линейный размер натуры соответственно, g1 «модельное» ускорение и l1 -линейный размер модели.
Т. к. обычно модель меньше натуры, т. е. L1 < l, то для модели необходимо обеспечить
условия, при которых g1 > g. Такие условия можно приближённо создать, поместив модель в
центробежную машину (центрифугу). В этом состоит идея центробежного моделирования.
Камера центрифуги вместе с находящейся в ней моделью вращается вокруг вертикальной
оси с угловой скоростью w. При этом на каждую частицу модели действует центробежная
сила, направленная от оси вращения и равная mкhkw2, где mк - масса частиц, hk - её
расстояние от оси вращения. Размеры центрифуги выбирают такими, чтобы расстояния
hk были велики по сравнению с размерами модели. Тогда приближённо можно принять
все hk = h, где h - расстояние от оси вращения центра тяжести модели, и считать
действующие на частицы модели силы равными mкhw2, т. е. аналогичными силам
тяжести mkg1, где g1 = hw2. В результате условие (12.6) примет вид:
hw2l1 = gl или w2 = gl / l1h.
(12.7)
Отсюда определяется значение угловой скорости, при которой для модели данного размера
можно осуществить центробежное моделирование (чем меньше l1, тем больше должна
быть w). Если модель и натура выполнены из материалов с разными плотностями и
разными прочностными характеристиками, определяемыми, например, модулем упругости
(модулем Юнга) Е, то критерий подобия изменится и центробежное моделирование будет
возможно, когда:
(12.8)
14

15.

Метод эквивалентных материалов.
В отличие от метода центробежного моделирования в методе эквивалентных материалов
взамен натуральных горных пород используют некоторые искусственные материалы,
эквивалентные породам моделируемой толщи, механические характеристики которых в
принятом масштабе моделирования удовлетворяют соотношению (12.5).
Модели изготавливают в испытательных стендах, представляющих собой жесткие рамные
металлические конструкции. Для испытания плоских моделей, выполненных в разрезе по
простиранию перпендикулярно к плоскостям напластования, слоистости или полосчатости
моделируемой толщи, применяют специализированные стенды.
Если необходимы плоские модели, выполненные для наклонного залегания пород в
разрезе вкрест простирания, применяют поворотные стенды. Для объемных моделей
служат трехмерные поворотные стенды.
В зависимости от решаемых задач моделирование ведут в различных геометрических
масштабах: мелких, от 1:400 до 1:100, или крупных, от 1:60 до 1:10. Толщи слабых пород
моделируют только в крупных масштабах.
Разделение толщи пород в модели на отдельные слои обеспечивают путем присыпки
поверхности каждого слоя крупной молотой слюдой, трещиноватость или кливаж
воспроизводят насечкой только что изготовленных слоев до отвердения или схватывания
материалов.
Метод эквивалентных материалов позволяет с большой степенью детальности
проследить процессы деформирования в толще пород при движении забоя выработки,
особенно с разрывом сплошности, что обычно исключено при других методах
моделирования. Вследствие этого метод эквивалентных материалов является весьма
эффективным, благодаря чему он получил широкое применение при решении различных
задач геомеханики.
15

16.

Поляризационно-оптический метод моделирования.
Поляризационно-оптический, или просто оптический метод моделирования является
примером аналогового моделирования.
Оптический метод моделирования позволяет устанавливать распределение и значения
напряжений в массивах пород и элементах сооружений любой конфигурации, когда
деформации модели происходят без разрыва сплошности. Метод основан на свойстве
большинства прозрачных изотропных материалов, называемых оптически
чувствительными, при приложении механических нагрузок приобретать оптическую
анизотропию и проявлять способность двойного лучепреломления. Последнее
заключается в том, что луч света, проходя через напряжённую прозрачную
кристаллическую среду, разлагается на две взаимно перпендикулярные
плоскополяризованные составляющие, распространяющиеся внутри среды с различной
скоростью.
В частности, для задач геомеханики весьма удобно применение органических стекол и
эпоксидных смол. При этом в пластинках из указанных материалов в заданном масштабе
вырезаются контуры изучаемых выработок (или систем выработок), вокруг которых
исследуется распределение напряжений при различных схемах нагружения пластинок по
контуру растягивающими или сжимающими силами.
16

17.

Другие методы моделирования.
Для решения задач, связанных с динамическими процессами в породных массивах в
настоящее время часто применяют электроаналоговые методы моделирования, т. е. методы
электрического моделирования механических полей.
Электрические модели могут быть двух типов. В одном из них — методе
электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), предложенном в 1922 г. академиком АН
СССР Н. Н Павловским, используют меняющиеся электрические свойства сплошной
проводящей среды.
Другой, известный под названием метода электрических сеток прямой аналогии (ЭСПА),
предусматривает замену сплошной среды сеткой из некоторых элементарных электрических
ячеек, параметры которых назначают, исходя из свойств среды в механической системе и
критериев подобия. Электрические ячейки — элементы напряжения, силы тока,
индуктивности, емкости — служат аналогами механического напряжения, скорости упругого
смещения, массы, податливости элементарных объемов моделируемого массива пород.
При решении задач геомеханики наряду с применением различных методов для решения
поставленных задач используют также методы, представляющие собой комбинации
различных принципов моделирования, например принципа центробежного моделирования и
принципа поляризационно-оптического метода, либо метода эквивалентных материалов и
центробежного моделирования.
Метод, сочетающий принцип метода эквивалентных материалов и принцип центробежного
моделирования, получил научную, технологическую разработку и широкое применение в
результате многолетних (с 1946 г.) исследований Криворожского научно-исследовательского
горнорудного института (НИГРИ), проводившихся под руководством проф. И. Р. Ривкина.
17

18.

Сущность данного комбинированного метода состоит в том, что взамен модели из
натуральных горных пород, применяемой в методе центробежного моделирования, модель
изготавливают из эквивалентных материалов, механические характеристики которых
удовлетворяют условию геометрического подобия в некотором достаточно крупном
геометрическом масштабе, например, 1/10. Модель помещают в центрифугу и подвергают
нагружению при параметрах вращения, определяемых масштабом центробежного
моделирования 1/20. В данной комбинации двух методов общий геометрический масштаб
модели будет равен произведению этих двух геометрических масштабов, т. е. 1/200, в
котором и необходимо изготовить все элементы модели, подготавливаемой к испытаниям.
Изложенный подход существенно расширяет технические возможности изготовления
материалов и испытания моделей в широком диапазоне геометрических масштабов.
Объемные модели из оптически чувствительных материалов также обычно нагружают с
использованием центрифуги, сочетая в этом случае принципы оптического метода и метода
центробежного моделирования.
Часто используют в сочетании оптический метод и метод эквивалентных материалов.
Например, оптическим методом изучают с наибольшей детальностью распределение
напряжений в зоне опорного давления, а методом эквивалентных материалов для тех же
условий исследуют развитие деформаций толщи с разрывом сплошности и механизм
взаимодействия сдвигающихся пород с крепью.
18

19.

Программный комплекс RMS, используемый для геологического моделирования
Современный программный комплекс RMS (Reservoir Modeling System), компания Roxar,
предназначен для построения детальных геолого-технологических трехмерных моделей
месторождений и управления ими.
Обоснованные решения по разработке и управлению месторождениями базируются на
исчерпывающем понимании месторождения, которое включает в себя не только его
статические и статистические параметры, но и динамические характеристики. Вся
информация может быть представлена в виде 3D геологической модели.
Программный комплекс предоставляет пользователям наглядную визуализацию и легкое
в использовании техническое окружение, в котором можно достаточно быстро создавать
модели и получать качественные результаты. Кроме этого RMS позволяет интегрировать
разнообразные данные и различных специалистов, проводить контроль качества данных
и результатов, решать различные повседневные задачи, такие как построение карт,
подсчет запасов, оптимизацию размещения скважин, анализ чувствительности и т.д.
В RMS могут быть загружены данные из различных источников и в различных масштабах:
результаты геофизической интерпретации, петрофизического анализа, описания скважин;
седиментологические модели; 2D структурные карты и карты параметров; данные
разработки. Все это объединяется в общей модели данных, одновременно проходя
проверку качества и, при необходимости, корректировку. Эта возможность по интеграции
разномасштабных данных из разных источников помогает специалистам, занимающимся
моделированием месторождений, глубже понять его строение и быть уверенными в том,
что модель дает его точное описание.
19

20.

В состав программного комплекса RMS входит несколько взаимосвязанных, но
независимых модулей. Все модули используют общий интерфейс, модель данных и
визуализацию. Каждый модуль предоставляет набор специализированных инструментов,
предназначенных для решения задач на определенном этапе моделирования.
Программное обеспечение Roxar позволяет определить оптимальную стратегию
разработки месторождения и оценить риски.
Рабочая область RMS состоит из нескольких областей, которые настраиваются отдельно.
Основное меню программы содержит ряд стандартных пунктов, знакомых по работе с ОС
Windows и офисными приложениями.
Меню Tools, очень полезно при работе с проектом. В данной панели можно задать
параметры координатной системы для импорта/экспорта данных. Например, можно
задать смещения по осям или угол поворота (секции, выделенные большим черным
прямоугольником). В RMS глубины по умолчанию отсчитываются от 0 вниз со знаком «+».
Если в исходных данных глубины отрицательные, то при импорте необходимо
переключиться с Down на Up. После импорта данную опцию следует отключать, иначе
экспорт будет также выполнен с обратно ориентированной осью Z. Данная панель
содержит множество настроек, которые влияют на общий внешний вид программы.
В области Viewer содержатся кнопки быстрого доступа для создания окон визуализации.
Для создания в рабочем проекте нового окна Viewer необходимо нажать на «+».
Поле Viewer может содержать любое количество окон визуализации разных типов,
которые сохраняются в закладке Views.
Примеры окон визуализации объектов:
- 3D view, в котором можно визуализировать объекты в трехмерном пространстве;
- Intersection view для визуализации разрезов различных типов.
На странице для презентаций (Page for presentation or printing) одновременно может быть
20
размещено несколько окон разных типов.

21.

Начиная с версии 2011 в RMS появилась новая область окна проекта, которая называется
Views. Данная область содержит абсолютно все окна, существующие в проекте, которые
сгруппированы в папки. При создании окна любого типа оно автоматически сохраняется в
списке панели Views. Удалить окно можно только в данной панели. В панели Viewer
можно просто выключить ненужные окна, закрыв их.
Меню объектов содержит список всех операций, которые можно выполнить для объектов
данного контейнера или выбранного объекта. Меню можно вызвать, выбрав необходимый
контейнер или объект ЛКМ, и список операций будет зависеть от выбранного элемента
модели. Объекты данных дерева проекта, загруженные в проект или полученные в
результате расчетов и операций, могут быть расположены в трех областях: Modelling,
Clipboard, Library.
При необходимости найти какой-либо объект или папку можно воспользоваться
встроенным поиском. Для этого нужно нажать на значок с изображением лупы.
Любой проект в RMS имеет строго определенную структуру. Каждый тип данных и
объектов хранится в контейнерах, предназначенных для того или иного типа данных.
В некоторых контейнерах могут храниться строго определенные типы данных, а
некоторые могут содержать широкий набор данных и поддерживают вложенные папки.
Кратко рассмотрим содержимое каждого контейнера: - контейнер содержит сейсмические
данные в формате SEG-Y; - контейнер для временного хранения данных; - формы
осадочных тел; - скважинные данные; tables - содержит цветовые палитры; picks - отбивки
пластов. Данная папка была добавлена в RMS2011.
21

22.

В более ранних версиях отбивки пластов содержатся: в контейнере Horizons events данные по интервалам опробования пласта; - табличные данные для расчетов;
- скоростные модели; - последовательность горизонтов и изохор; структурные данные 2D
data - 2D данные; - данные о разломах и модели разломов; Network models интегрированные структурные модели; models - трехмерные модели; - различные типы
разрезов; - информация о трендах (зависимостях); data - показатели по скважинам
(дебиты, давления); data - информация для гидродинамических расчетов; Analysis анализ данных; contacts - таблицы флюидных контактов; results - результаты расчетов в
табличном виде; data - картографическая информация (например границы лицензионного
участка).
Изменять внешний вид объекта можно не только с помощью опций панелей, но и с
помощью некоторых клавиш клавиатуры. Например:
- увеличение/уменьшение коэффициента увеличения по оси Z; - изображение, вид
сверху; Shift + Z - изображение, вид снизу; - изображение, вид спереди; Shift + X изображение, вид сзади; - изображение, вид слева; Shift + Y - изображение, вид справа;
- одновременное выделение нескольких объектов; + , ¯ - увеличение/уменьшение
размера драгера; + Ctrl + ЛКМ - переключение между разными наборами данных в
режиме редактирования.
В данной области содержатся так называемые «графы моделирования» - задачи
собранные в необходимой последовательности.
Абсолютное большинство операций в RMS осуществляются в различных панелях, где
настройки задаются при помощи подключения опций, ввода цифр с клавиатуры или
указания необходимых параметров из списка предлагаемых вариантов. Все настройки в
данных панелях могут быть запомнены под определенным именем. Сохраненные
настройки называются Job – задача.
22

23.

Сохраненные задачи позволяют быстро перезапустить задачу, контролировать настройки.
Для каждой операции может быть сохранено любое количество задач. Имя задач должно
быть уникально.
Основное назначение Workflow сводится к нескольким основным пунктам:
- сохранение последовательности действий.
- возможность автоматизации процесса моделирования.
- возможность быстрого обновления модели согласно новым данным при условии
сохранения основной концепции строения.
Сама последовательность задач должна быть выстроена в логическом порядке. То есть
задача построения карты по точкам не должна идти раньше задачи импорта этих точек.
Некоторые операции нельзя сохранить как задачу, но только как задание (i-task), которое
также можно добавить в Workflow. Задания не воспроизводятся автоматически, для их
выполнения необходимо вручную задать настройки.
Кроме того в Workflow можно добавить заметки (Notes) - текстовые сообщения с нужной
вспомогательной информацией о выполненных действиях.
23

24.

24

25. Дисциплина: Моделирование и расчёт подземных сооружений на сейсмическое воздействие Лекция 13. Экспериментальные исследования поведения

Дисциплина:
Моделирование и расчёт подземных сооружений
на сейсмическое воздействие
Лекция 13. Экспериментальные исследования
поведения конструкций транспортных тоннелей
при динамических воздействиях.
ЮШКИН Владимир Федорович
Новосибирск – 2015
25

26. Методическая литература к лекции 13 1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. – М: Минрегио

Методическая литература к лекции 13
1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная
редакция СНиП II-7-81*. – М: Минрегион РФ, 2011. – 84 с.
2. ВСН 193-81. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании
горных транспортных тоннелей. – М.: Минтранстрой СССР, 1982. – 67 с.
3. Дорман И. Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей. – М.: Информационноиздательский центр ТИМР, 2000. – 307 с.
4. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. – М.: Наука , 1977. – 440 с.
26

27. Моделирование работы подземных сооружений на сейсмической платформе. Анализ повреждений обделок после землетрясений свидетельствует о т

Лекция 13. Экспериментальные исследования
поведения конструкций транспортных тоннелей
при динамических воздействиях
Моделирование работы подземных сооружений на сейсмической платформе.
Анализ повреждений обделок после землетрясений свидетельствует о том, что тоннели
разрушаются в тех случаях, когда встречаются резкие изменения свойств грунта, трасса
располагается на косогорных участках, при плохой связи элементов конструкций в
поперечном сечении (например, для тоннелей мелкого заложения при непрочном
соединении ригелей со стенами, при наличии водонасыщенных грунтов) и т.д.
При проектировании тоннелей учитывать такие факторы расчетными методами сложно,
поскольку они не укладываются в нормируемые параметры, такие, например, как
коэффициент сейсмичности, скорость распространения сейсмоволн и др.
При выборе решения в таких сложных случаях проектировщикам приходится опираться на
свою инженерную интуицию и опыт, т.е. принимать волевое решение.
Исследования, проведенные в последние годы, дают возможность качественно, а во
многих случаях и количественно учитывать влияние этих факторов.
Много может дать информация с инженерно-сейсмометрических станций, регистрирующих
поведение однотипных тоннельных конструкций в разных инженерно-геологических
условиях и разнотипных обделок в одинаковых грунтовых и гидрогеологических условиях.
Информация от таких станций может регулярно поступать после их ввода в эксплуатацию.
Получить нужную информацию до проектирования позволяет создание искусственного
динамического воздействия на модели тоннельных обделок с использованием для этой
цели сейсмических платформ, а также проведение динамических испытаний построенных
27
конструкций.

28.

Для модельных исследований в качестве основного инструмента может использоваться
сейсмическая платформа грузоподъемностью 1 т. Платформа позволяет обеспечить
проведение испытаний строительных моделей тоннеля при различных гармонических
режимах движения основания с плавно изменяющейся частотой, а также при
импульсивных (ударных) возмущениях.
Исследования на платформе позволяют выявить закономерности изменения напряженного
состояния и деформирование конструкций перегонных тоннелей мелкого заложения,
сооружаемых открытым способом на метрополитенах, при различном конструктивном
выполнении обделок и различном состоянии грунтового массива. Объектом исследований
служат также прямоугольные рамные конструкции из объемных (цельно-секционных) и
сборных элементов, соединяемых различными способами между собой в плоскости
поперечного сечения тоннеля и вдоль его оси.
Платформа позволяет исследовать влияние жесткости связи элементов секционных
обделок по длине тоннеля на их напряженно-деформированное состояние, концентрацию
напряжений в местах примыкания перегонных тоннелей к конструкциям иной жесткости
(например, при соединении тоннельных обделок с конструкциями станций метрополитена),
изучать влияние плотности грунта засыпки и его водонасыщения на динамику
деформирования обделок.
Исходя из постановки задач исследований изготавливают модели железобетонных
цельносекционных и сборных обделок в разных масштабах (например 1:20 натуральной
величины обделки) и вариантах: например из цементно-песчаной смеси, армированной
металлической сеткой с ячейками 1x1 см при диаметре арматуры 1 мм (рис. 13.1),
цементно-песчано-резиновой смеси.
В экспериментах с моделями относительные деформации стенок и ригелей измеряются
тензодатчиками, параметры колебаний платформы (в частности, ускорения)
28
известны, что позволяет оценивать относительные деформации обделок в натуре.

29.

Рис. 13.1. Конструкция модели обделки из цементно-песчано-резиноеой смеси (а) и схема
размещения тензорезисторов 1-12 (б): 1 — отдельная секция; 2 — металлическая сетка;
3 — стягивающий стержень; 4 — торцовая пластина
29

30.

Пример. Для моделирования среды был принят мелкозернистый песок плотностью 1.8 т/м3
с модулем крупности Мк = 1.56, имитирующий сыпучую среду, при этом в соответствии с
теорией расширенного динамического подобия А.Г. Назарова углы внутреннего трения
материала засыпки модели и натуры были приняты равными.
Для сравнения экспериментов по оценке напряженно-деформированного состояния
обделок при изменении того или иного параметра (без перерасчета на натуру) были
выбраны модели из органического стекла, имевшие при геометрическом масштабе 1:20
тонкостенные стенки и ригели, что позволило при широком диапазоне динамических
возмущений определять деформации по показаниям тензорезисторов.
В процессе испытаний имитировались два вида воздействий — стационарные колебания
гармонического типа с амплитудой от 0.1 до 2.5 см и частотой от 0.7 до 10 Гц и импульсные
(ударные) воздействия с начальной скоростью от 0 до 295 см/с.
Испытания моделей (рис. 13.2) велись в такой последовательности. В установленный на
раму сейсмоплатформы короб отсыпали слой песка основания определенной толщины (в
зависимости от задачи испытания), затем устанавливали модель тоннеля той или иной
конструкции (труба, сборная или цельносекционная обделка) с теми или иными граничными
условиями (связь элементов, различная длина тоннеля, расположение оси тоннеля
параллельно или поперек направлению движения платформы).
Рис. 13.2. Общая схема эксперимента:
I — прибор для измерения плотности
засыпки; 2 — короб с засыпкой; 3 —
модель с наклеенными
тензорезисторами 1—12; 4 — рама
платформы; 5 — прогибомер для
регистрации движений платформы
30

31.

С помощью тензорезисторов измеряли относительную деформацию стенок моделей от
статического и динамического давления грунта.
Затем модель обделки полностью засыпали песком и предварительно уплотняли засыпку
включением платформы на 100-120 с (для стабилизации показаний тензорезисторов).
Сигналы с тензорезисторов записывались осциллографом с одновременной регистрацией
по семи каналам: шесть регистрировали показания тензорезисторов, седьмой —
показания прогибомера. Для определения амплитуды и ускорения колебаний платформы
использовался электрический Q-образный прогибомер с наклеенными у заделки
тензорезисторами.
Для выбранных частот на осциллограммах замерялись максимумы (пики) записей,
соответствующие одному и тому же времени для всех каналов. Для всех пиков
вычислялись параметры, необходимые для статистической обработки (среднее
квадратичное отклонение, относительная изменчивость, ошибка среднего, показатель
точности, достоверности, число наблюдений — пиков осциллограмм), т.е. длину участка
записи, а следовательно, и число экспериментов в каждой серии. Измеренные значения
умножались на тарировочный коэффициент, подсчитанный для каждого канала отдельно
в зависимости от масштабной ступени (длина развертки сигнала). Таким образом были
получены истинные значения относительных деформаций модели, зарегистрированных
тензорезисторами. По замеренным значениям относительных деформаций строились
эпюры для каждой точки обделки при различных частотах (периодах) колебаний.
31

32.

Зависимость напряженно-деформированного состояния обделки от ее конструкции
Эксперименты на стендах и сейсмическихплатформах позволяют исследовать следующие
факторы, влияющие на деформированное состояние обделки:
- влияние жесткости присоединения ригеля (шарнир, заделка) к элементам сборных обделок;
- роль связи между элементами цельносекционных обделок при поперечном и продольном
сейсмических воздействиях;
- влияние длины свободно колеблющегося участка тоннеля из цельносекционных элементов.
Влияние жесткости присоединения ригеля к стенкам обделки исследуются на двух типах
моделей. В первом типе моделей ригели присоединяются к стенкам шарнирно, во втором —
жестко. При идентичных условиях эксперимента (одинаковых плотности засыпки, ускорении
и амплитуде колебаний платформы и др.) замеряют относительные деформации стенок.
Сопоставление полученных результатов (рис. 13.3)
показывает, что при уменьшении жесткости
присоединения ригеля (шарниры в верхних углах)
относительные деформации стенок (штриховая линия
на графике) увеличиваются на 40—60 %. В статических
экспериментах это увеличение не превышает 15—20%.
Вывод — при конструировании обделки для
сейсмических районов целесообразно создавать
конструкции с жесткими узлами, прибегая к
омоноличиванию сборных элементов, либо применяя
цельносекционные или объемные элементы.
Рис. 13.3. Графики изменения относительных деформаций в
зависимости от конструктивного решения модели (данные
тензорезисторов, наклеенных по середине стенки модели):
1 — модель с верхними шарнирными узлами; 2 — жесткая
модель (цельносекционная); ε — ускорение платформы
32

33.

Роль связей между элементами цельносекционных обделок при различных видах
воздействия изучают по следующей методике.
На моделях жесткость связей секций между собой имитируют прижатием элементов друг к
другу при помощи стягивающего стержня 3 (см. рис. 13.1). Меняя силу прижатия, можно
имитировать как свободно стоящие секции, практически не связанные друг с другом, так и
тоннельную конструкцию в целом, в которой все секции жестко связаны между собой.
В экспериментах (Дорман И.Я.) рассматриваются три варианта моделей тоннеля, состоящие
из 8, 15 и 22 секций, что соответствует в натурном объекте длине тоннеля, равной двум,
четырем и пяти-шести наибольшим поперечным размерам.
Зависимости, построенные на основе показаний тензорезисторов для двух сечений ( см. рис.
13.4), аналогичны зависимостям, полученным на основе показаний остальных
тензорезисторов. Результаты этих испытаний свидетельствуют о нецелесообразности
устраивать жесткие связи между жесткими секциями.
Если жесткость связи секций между собой влияет на
изменение напряженно-деформированного
состояния тоннеля, то жесткое закрепление участка
тоннеля в вызовет увеличение внутренних усилий.
На практике таким случаем можно считать жесткое
сопряжение обделок различного поперечного
сечения (соединение круглого и прямоугольного
участков, примыкания тоннеля к станции и др.).
Рис. 13.4. Зависимость относительных деформаций модели
от жесткости связи элементов по длине для двух сечений
тоннеля: при сильном (сплошные кривые) и слабом
(штриховые) натяжении стержня: 1, 2— номера
тензорезисторов
33

34.

Для выявления влияния этого фактора были проведены две серии экспериментов.
В одной серии экспериментов модели тоннеля, включающие в себя 8, 15 и 22 секции,
свободно укладывали в засыпку, в другой серии торцы моделей обделки с помощью отрезков
стальных угольников закрепляли на днище короба таким образом, что создавалась жесткая
заделка торцов тоннельной трубы. Эксперименты показали значительные отличия в
деформациях свободного и закрепленного участков моделей.
Для моделей с незакрепленными торцами (рис. 13.5, а) деформации при вибрационном
воздействии стенда соответствуют перекосу поперечного сечения как коробчатой рамы с
жесткими узлами, при этом с ростом частоты колебаний (а, следовательно, и ускорений)
абсолютные значения относительных деформаций увеличиваются.
Точки перегиба эпюр относительных деформаций как в стенах, так и в горизонтальных
элементах (ригелях) располагаются примерно посередине длин этих элементов.
Такое деформированное состояние может быть вызвано односторонним давлением засыпки
при сейсмическом воздействии. Поскольку сейсмическое давление грунта по глубине
конструкции уменьшается и одновременно снижается подвижность слоев грунта в
горизонтальном направлении, то такое воздействие должно вызывать перекос сечения.
Характер деформаций моделей соответствует указанному явлению.
Рис. 13.5, а. Относительные
деформации сечений модели из
восьми секций при незакрепленных
торцах. Вибрационное воздействие
с частотой n, равной 4,5; 5,6 и 6,5 Гц
34

35.

Для моделей с закрепленными торцами при поперечном воздействии как гармоник, так и
импульса (рис. 13.5, б, в) прослеживается изгиб, соответствующий работе балки с
защемленными концами. Роль балки в этом случае выполняет стенка модели, работающая
при стягивании секций по торцам как единая пластина. При этом горизонтальные элементы
(днище, перекрытие) работают в горизонтальной плоскости как балки с неподвижными
опорами; ввиду своей большой горизонтальной жесткости они не дают возможности
стенкам в узлах соединения их с ригелями смещаться в направлении колебаний.
Благодаря этому исключается перекос поперечного сечения модели.
При действии горизонтального сейсмического давления засыпки вследствие большой
жесткости узлов соединения стенки моделей работают как балки с защемленными концами.
С ростом числа жестко связанных между собой секций цельносекционной обделки
увеличиваются относительные деформации практически по всем сечениям, поскольку при
жестком закреплении торцов увеличивается прогиб участка трубы (тоннеля).
Рис. 13.5, б, в. Относительные деформации сечений модели из восьми секций при
закрепленных торцах: б - вибрационное воздействие с частотой n, равной 4,5; 5,6
35
и 6,5 Гц; в — воздействие импульсное

36.

Эксперименты подтверждают теоретические предпосылки о целесообразности членения
тоннеля на участки антисейсмическими деформационными швами.
При ударном воздействии картина поперечников тоннеля практически не отличается от
таковых при вибрационном воздействии, разница отмечается лишь в абсолютных значениях
деформаций.Это связано с тем, что энергия удара передается непосредственно на раму
стенда, а от него — модельным сегментам.
Влияние грунтовых условий на развитие сейсмических деформаций в обделках
С целью выявления влияния плотности грунта и его влажности на развитие относительных
деформаций на сейсмоплатформе были проведены два цикла экспериментов с моделями из
органического стекла. Полученные данные сопоставлялись как между собой, так и с
результатами статических испытаний.
Для количественной оценки плотности засыпки в каждый момент времени (первый цикл
экспериментов) был разработан способ замера плотности и соответствующий прибор. При
колебаниях по полученным парам значений относительной деформации и коэффициента
пористости строились графики зависимости этих значений для отдельных точек поперечного
сечения обделки (рис. 13.6, а). Все графики обнаруживают общую закономерность: с
уменьшением коэффициента пористости, т.е. с увеличением плотности грунта,
относительные деформации поперечного сечения обделки уменьшаются.
36

37.

В большинстве случаев при уменьшении коэффициента пористости от 0.61 до 0.55 степень
увеличения относительных деформаций по сравнению с такой же в случае статического
давления грунта снижается в пределах от 33 до 10 %.
Как показывают опыты, сейсмическое воздействие на обделку и вызванные им деформации
ее поперечного сечения при рыхлой засыпке больше, чем при плотной. Эта закономерность
хорошо увязывается с теоретическими результатами, а также с данными обследований
последствий землетрясений, согласно которым повреждения подземных сооружений, в
частности тоннелей, при рыхлых грунтах более значительны, чем при плотных.
Рис. 13.6. Графики зависимости относительной деформации ε поперечного сечения обделки
от коэффициента е пористости грунта (а) и его влажности w (б) по данным резисторов 2
(штриховая) и 8 (сплошная); расположение резисторов 1-12 показано на схеме (б)
37

38.

Во втором цикле испытаний исследовалось влияние влажности грунта на напряженнодеформированное состояние обделки.
Влажность W1 грунта засыпки варьировалась в трех состояниях и составляла 0.12; 10.7 и
20 %, что соответствует степени G влажности грунта засыпки, равной 0.06; 0.56 и 1.0
соответственно, т.е. исследуемые грунты засыпки в рассмотренных случаях относились к
маловлажным, влажным или водонасышенным.
Графики зависимости относительных деформаций сечений обделки от влажности (рис.
13.6, б), построенные для двух симметричных сечений, показали такую общую
закономерность: относительные деформации поперечного сечения обделки увеличиваются
с ростом влажности засыпки, причем эта зависимость (в данных опытах) близка к линейной.
Описанная качественная картина хорошо согласуется с данными натурных обследований
последствий землетрясений, согласно которым во влажных грунтах трубопроводы и другие
подземные сооружения повреждаются сильнее, чем в сухих, а также с аналитическими
работами и экспериментальными исследованиями.
Опыты показали, что увеличение относительных деформаций моделей обделок тоннелей с
ростом влагонасышения грунтов не превышает 10 — 25 %. Действовавшие же ранее нормы
при водонасыщенных грунтах или уровне стояния грунтовых вод выше 4 м от верха
сооружения требовали учитывать увеличение сейсмической нагрузки в 2 раза, т.е.
повышать сейсмичность не менее чем на 1 балл.
Аналогичные выводы для скальных грунтов получены в исследованиях, выполненных в
Институте земной коры Сибирского отделения РАН, где на основании инструментальных
данных показано, что «приращение сейсмической балльности для крупнообломочных
грунтов можно принимать без учета их обводненности».
38

39.

Натурные исследования динамических характеристик конструкций станций
метрополитена
В Ташкенте при сооружении колонной станции метрополитена, расположенной в толще
лессовидных суглинков выше уровня грунтовых вод, были проведены натурные
исследования напряженно-деформированного состояния станционной обделки от действия
динамических нагрузок.
В качестве близкого к сейсмическому было выбрано ударное воздействие на сооружение.
Динамическая нагрузка на конструкцию передавалась через окружающий ее грунтовый
массив. Средством ударного воздействия служил сбрасываемый экскаватором с высоты 11 м
груз массой 2.5 т. Расстояние от места сбрасывания груза до станционной обделки составило
36 м (рис. 13.7).
Рис. 13.7. Общая схема размещения инициатора колебаний по отношению к станции
метрополитена: 1 — экскаватор (инициатор колебаний); 2 — шурф; 3 — сейсмоприемники в
39
грунте; 4— сейсмоприемники на конструкциях станции

40.

Для определения величины силового воздействия грунта на сооружение необходимо иметь
акселерограмму его колебаний. Для записи колебаний были использованы
магнитоэлектрические сейсмоприемники типа ОСП-2МГ, которые были установлены в
шурфе на глубине от 0.5 до 4.5 м от поверхности.
Полученные акселерограммы колебаний грунта около исследуемой станции (рис. 13.8)
показали, что максимальное ускорение (96 мм/с2) отмечалось на глубине 0.5 м; а на
глубине 4.5 м (на уровне верхней трети высоты конструкции станции) ускорение составило
44.7 мм/с2, что соответствует землетрясению силой 4 — 5 баллов.
Рис. 13.8. Акселерограммы колебаний
грунта вблизи станции в шурфе на
глубине 0.5 м (а) и 4.5 м (б)
Рис. 13.9. Фрагмент сейсмограммы
колебаний верхней (а), средней (б) и нижней
(в) точке левого стенового блока стана 40

41.

Колебания самой конструкции станции от динамического воздействия на нее грунтового
массива регистрировались сейсмометрическими каналами, состоящими из
магнитоэлектрических датчиков ВЭГИК. Сейсмоприемники были закреплены на
железобетонных конструкциях блоков и колонн. Поскольку сооружение имеет достаточно
большую жесткость в продольном направлении, все 12 точек регистрации (см. рис. 13.7)
были сориентированы для записи только поперечных к оси станции колебаний.
При обработке полученных осциллограмм использовали пересчет ординаты колебаний
смещений через коэффициенты усиления (рис. 13.9).
Анализ полученных результатов позволил сделать выводы, что амплитуда колебаний
стеновых блоков и колонн достигает своего максимального значения по смещению не сразу,
а после первого вступления, что говорит об упругих свойствах лессовых грунтов; при этом
характер колебании во всех случаях затухающий.
Для сравнения результатов теоретических исследований поперечных колебаний станции
колонного типа, возникающих при действии динамических нагрузок, с экспериментальными
данными была проведена экстраполяция данных, полученных при землетрясении силой 4.5
балла к 9-балльному землетрясению. Это позволило сопоставить результаты теоретических
и экспериментальных исследований (рис. 13.10).
Сопоставление показало корректность методики расчета динамических характеристик
станции колонного типа с использованием сейсмодинамической теории.
41

42.

Рис. 13.10. Максимальные значения перемещений W и моментов М для левого
стенового блока (а) и правой колонны станции (б), полученные в результате
теоретических (I) и экспериментальных (II) исследований
42

43.

43

44. Дисциплина: Моделирование и расчёт подземных сооружений на сейсмическое воздействие Лекция 14. Основы проектирования транспортных тоннел

Дисциплина:
Моделирование и расчёт подземных сооружений
на сейсмическое воздействие
Лекция 14. Основы проектирования транспортных
тоннелей в сейсмических районах.
ЮШКИН Владимир Федорович
Новосибирск – 2015
44

45. Методическая литература к лекции 14 1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. – М: Минрегио

Методическая литература к лекции 14
1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная
редакция СНиП II-7-81*. – М: Минрегион РФ, 2011. – 84 с.
2. СНиП II-7-81.
3. ВСН 193-81. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании
горных транспортных тоннелей. – М.: Минтранстрой СССР, 1982. – 67 с.
4. Дорман И. Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей. – М.: Информационноиздательский центр ТИМР, 2000. – 307 с.
45

46. 14.1. Ранжирование уровня сейсмической защиты транспортных тоннелей В нормативных документах по проектированию наземных сооружений в сейс

Лекция 14. Основы проектирования транспортных
тоннелей в сейсмических районах
14.1. Ранжирование уровня сейсмической защиты транспортных тоннелей
В нормативных документах по проектированию наземных сооружений в сейсмических
районах степень сейсмозащиты конкретных объектов определяется в зависимости от
балльности района строительства и расчетной сейсмичности этих объектов.
Градация сооружений по уровню расчетной сейсмичности определяется требованиями
к надежности отдельных групп сооружений с учетом обеспечения антисейсмического
усиления тех сооружений, разрушение которых в результате землетрясения связано
с большей опасностью для людей и вероятностью уничтожения материальных ценностей.
В СНиП II-7-81 сделано уточнение расчетной сейсмичности для наземных зданий и
сооружений, которые подразделены по сейсмостойкости на пять классов (таблица 14.1),
а также введено понятие расчетной сейсмичности для транспортных объектов.
Так, расчетную сейсмичность тоннелей длиной более 500 м следует устанавливать на
основе специальных инженерно-сейсмометрических исследований (см. п. 4.3).
Расчетная сейсмичность для тоннелей длиной не более 500 м на железных и
автомобильных дорогах I—III категорий, а также на скоростных городских дорогах и
магистральных улицах (к таким сооружениям можно отнести и тоннельные участки
скоростного трамвая) принимается равной сейсмичности площадок строительства, но не
более 9 баллов. При этом сейсмичность площадок строительства следует определять с
учетом сейсмических свойств грунтов, подстилающих основание тоннеля.
Недооценка этого фактора приводит к тому, что на одно и то же сейсмическое воздействие
рассчитываются как основные тоннельные сооружения, так вспомогательные подземные
выработки, на антисейсмическое усиление которых необходимы дополнительные
средства. В более полном виде градация транспортных тоннелей по уровню
46
сейсмостойкости регламентирована инструкцией ВСН-193-81.

47.

Таблица 14.1. Расчетная сейсмичность тоннельных конструкций
Группа тоннельных конструкций
Расчетная сейсмичность конструкций,
баллы, при сейсмичности площадки
строительства, баллы
6
7
8
9
1. Тоннели длиной более 500 м на железных
дорогах I и II категорий, а также особо
ответственные тоннели и тоннельные сооружения
7
8
9
>9
2. Тоннели длиной 500 м и менее на железных
дорогах I – III категорий, длиной более 500 м на
остальных дорогах, а также ответственные
тоннельные сооружения (стволы шахт, подходные
выработки, используемые для тоннелей и
тоннельных сооружений)
—
7
8
9
3. Портальные подпорные стены и тоннельные
сооружения, расположенные вне трассы (штольни и
т.п.), разрушение которых при повышенной
балльности не отразится на целостности
сооружений, относящихся к группам 1 и 2
—
—
7
8
Примечания. 1. Понятие «площадка строительства» означает для припортальных
участков — местоположение порталов, для тоннеля — породный массив по трассе
тоннельного перехода.
2. Расчетную сейсмичность тоннельных конструкций допускается уточнять по
согласованию с утверждающей проект инстанцией на основании специальных
исследований и сравнения стоимости вариантов с учетом возможных последствий
землетрясений.
3. При проектировании тоннелей протяженностью 500 м и более, расположенных в
районах, сейсмичность которых превышает 9 баллов, следует разрабатывать
дополнительные антисейсмические мероприятия, для чего целесообразно привлекать
47
специализированные проектные и научно-исследовательские организации.

48.

Сопоставление транспортных тоннелей в табл. 14.1 по их функциональной значимости
произведено по трем группам:
- к группе 1 отнесены наиболее ответственные подземные выработки — протяженные
транспортные тоннели, по которым осуществляется движение поездов;
- к группе 2 — ответственные подземные выработки: короткие до 500 м тоннели, по которым
осуществляется движение поездов или автотранспорта, а также вспомогательные выработки,
выход из строя которых может сказаться на нормальной эксплуатации основных тоннелей;
- к группе 3 — вспомогательные выработки, в которых отсутствуют люди, а также портальные
подпорные стены.
Для повышения надежности тоннельных сооружений группы 1, сооружаемых на участках с
сейсмичностью 6 баллов, предусмотрено придание им начальной сейсмостойкости за счет
рационального объемно-планировочного решения и контроля качества строительномонтажных работ, что зачастую является определяющим антисейсмическим мероприятием,
не требующим существенных дополнительных затрат.
Таблицей 14.1 регламентирован порядок назначения расчетной сейсмичности для тоннелей,
которые приходится сооружать в районах с сейсмичностью более 9 баллов.
Сейсмичность связана с эффектом проявления колебаний поверхности при землетрясении в
данной местности, и логично говорить о сейсмичности района строительства с учетом
инженерно-геологических и гидрогеологических условий.
Когда понятие «расчетная сейсмичность» распространяют на инженерные сооружения, то
подразумевают предельную (в баллах) стойкость сооружения, которой оно обладает в силу
особенностей своей конструктивной схемы. Поэтому логичнее при ранжировании уровня
сейсмозащиты или антисейсмического усиления конструкций говорить о расчетной
сейсмостойкости coopужения, при которой (в зависимости от значимости сооружения)
обеспечивается его работоспособность в определенных сейсмоопасных условиях.
48

49.

Градация тоннелей с учетом их значимости позволяет при обеспечении антисейсмической
зашиты для основных тоннельных сооружений добиться снижения затрат на усиление не
связанных с организацией движения подземных конструкций, в которых отсутствуют
перемещения пассажиров и народнохозяйственных грузов.
Если произойдет землетрясение с интенстивностью меньшей, чем расчетный балл, на
который запроектирован транспортный тоннель, то будет обеспечена антисейсмическая
зашита и этого тоннеля, и всех остальных выработок.
Если произойдет землетрясение расчетной балльности (вероятность которого значительно
меньше), то основной тоннель, рассчитанный на эту интенсивность, не получит разрушений,
в то время как вспомогательные выработки потребуют ремонтных или восстановительных
работ. Но в обоих случаях катастрофических последствий землетрясение иметь не будет.
При проектировании подземных сооружений, расположенных в сейсмоактивных районах,
рекомендуется такая последовательность определения расчетного балла сейсмостойкости:
- установление сейсмичности района строительства в баллах по картам сейсмического
районирования территории России или по спискам населенных пунктов, приведенным в
приложении 1 к СНиП II-7-81;
- уточнение сейсмичности площадки строительства в баллах в зависимости от результатов
сейсмического микрорайонирования в соответствии с общими указаниями п.4.4 СНиП II-7-81
(примечание 1) и рекомендациями, изложенными в п. 5.2 книги Дормана И.Я.;
- определение расчетного балла сейсмостойкости подземного сооружения: для горных
транспортных тоннелей расчетный балл принимают по табл. 5.1, для конструкций
метрополитена — по этой же таблице, относя их к группе 1;
- при расположении подземного сооружения в однородных по сейсмической жесткости
грунтах расчетный балл сейсмостойкости может быть снижен в зависимости от глубины
заложения тоннеля в соответствии с указаниями п. 5.17 СНиП II-7-81 и с учетом
49
рекомендаций, приведенных в п. 5.3 книги Дормана И.Я.

50.

14.2. Трассирование и сейсмомикрорайонирование тоннельных переходов
При проектировании железных и автомобильных дорог важной задачей является выбор
трассы в горных районах, особенно в зонах с высокой сейсмической активностью.
В процессе изысканий следует учитывать природное состояние горного массива, его
изменение при проходке выработок. Эти вопросы важны при строительстве тоннелей в
несейсмических районах и приобретают особое значение в сейсмических зонах.
Отсюда вытекает необходимость разработки методик инженерно-сейсмологической оценки
горного массива как основы для принятия решения по выбору трассы тоннельного перехода,
определению технологии строительства тоннеля, выбору методов расчета и конструирования
обделок, позволяющих оптимально вписывать конструкции подземных сооружений в
конкретную структуру горных пород.
В этих условиях наряду с инженерно-геологическими изысканиями должны проводиться
инженерно-геофизические исследования, составляющие сейсмологическую основу
проектирования, или так называемое сейсмическое микрорайонирование.
Работы по сейсмическому микрорайонированию площадок наземного строительства
позволяют в случаях неблагоприятных грунтовых условий повышать исходный расчетный
балл землетрясения, определяемый по картам сейсмического районирования территории
России, приведенным в приложении 1 к СНиП II-7-81, а в случаях расположения
фундаментов сооружений в скальном основании — снижать на 1 балл исходную
сейсмичность, т.е. уточнять исходный балл землетрясения.
Повреждения тоннелей зависят от геологических условий площадки строительства,
характера напластований грунтов над тоннелем, их сейсмической жесткости, динамических
характеристик грунтов основания. Сейсмическое микрорайонирование производится для
выделения участков строительства с различной ожидаемой сейсмической опасностью.
Это различие связано с тем, что разрушительный эффект сильных землетрясений зависит
50
от механических свойств грунтов, положения горизонта грунтовых вод, скоростей
распространения упругих волн, спектральных характеристик грунтов и других условий.

51.

Таким образом, для решения задач микрорайонирования рекомендуется применять:
- инженерно-геологический метод, основанный на использовании обобщенных данных
обследований последствий землетрясений с сопоставлением повреждений однотипных
подземных конструкций при различных условиях заложения тоннелей и различных грунтах;
- инструментальный метод, по которому о влиянии на сейсмичность местных грунтовых
условий судят на основе данных, получаемых от инженерно-сейсмометрических станций, а
также по данным полевых измерений колебаний грунтов при искусственных взрывах;
- численные методы, при которых уточнение сейсмичности по протяжению тоннеля может
быть выполнено решением прямой задачи инженерной сейсмологии для геологического
разреза по тоннелю, а также получением расчетных акселерограмм для горных пород на
основании анализа их спектров с определением кинематических параметров колебаний.
В настоящее время имеются акселерограммы землетрясений (интенсивностью 6 баллов и
более), полученные инструментальными методами в различных районах.
Важным вопросом при проектировании тоннелей в сейсмических районах является
трассирование тоннельных переходов по склонам горных массивов. Нормативными
документами (табл. 1 СНиП II-7-81) особенности рельефа не отнесены к факторам,
оказывающим заметное влияние на формирование колебаний грунтов.
Однако данные сейсмологических исследований колебаний горных склонов, возникающие
при слабых землетрясениях и взрывах, указывают на значительные изменения уровней
сотрясаемости по высоте. Инструментальные записи показывают увеличение амплитуд
колебаний на склонах по сравнению с дном ущелий.
Как показывает практика, опыт сейсмомикрорайонирования может использоваться при
проектировании подземных сооружений и тоннелей.
51

52.

Целесообразность такой работы иллюстрируют данные Института земной коры СО РАН,
полученные при сейсмомикрорайонировании строительства одного из тоннелей БАМа
(см. рис. 14.1). Исследования предполагали изучение геологического строения района
методами разведочной геофизики, анализ результатов данных сети из пяти сейсмических
станций, установленных в районе тоннеля, инженерно-геологические и сейсмологические
изыскания, а также специальные работы на основе методов глубинной сейсморазведки.
Рис. 14.1. Сейсмическое микрорайонирование района тоннеля (цифры в кружках —
исходный балл). Сейсмические микрорайоны: 1 — границы сейсмических зон; 2 — границы
микрорайонов; 8 — участки с сейсмичностью 8 баллов с пологонаклонными поверхностями
(до 20º), сложенные гранитами; 9 — участки с сейсмичностью 9 баллов со скальными
грунтами крутизной более 20º; > 9 — участки с сейсмичностью более 9 баллов с пологими
и крутыми склонами, сложенные скальными, ледниковыми и аллювиальными грунтами;
52
ЗП — западный портал; ВП — восточный портал

53.

Результаты исследований позволили уточнить расчетную балльность отдельных участков
тоннеля по всей его трассе (рис. 14.2). Было установлено, что на всем протяжении трассы
тоннеля, включая припортальные участки, сейсмичность грунтов косвенной основы меняется
от 11 до 7 баллов, т.е. для получения равновероятной надежности всех участков этого
тоннеля проектирование их следовало вести на различную расчетную сейсмостойкость.
Таким образом, для надежного проектирования в сейсмических районах тоннельных
сооружений (к ним относятся протяженные горные железнодорожные и автодорожные
тоннели и тоннели метрополитенов) необходимо в составе инженерно-геологических
изысканий проводить комплекс инженерно-геофизических и сейсмологических работ
по сейсмическому микрорайонированию тоннельных переходов.
Рис. 14.2. Сейсмическое микрорайонирование трассы тоннеля (пикетаж условный):
1 — сейсмичность грунтов поверхности по оси тоннеля; 2 — сейсмичность грунтов основания
тоннеля по данным сейсмического микрорайонирования; 3 — рекомендуемая расчетная
сейсмичность
53

54.

Это требование учтено в СНиП II-7-81, где в примечании 1 к п. 4.4 сказано, что сейсмичность
площадок строительства тоннелей следует определять в зависимости от сейсмических
свойств грунта, в котором заложены тоннели. В ВСН 193-81 это требование еще более
конкретизировано: перечислены параметры, которые должны быть получены при
сейсмомикрорайонировании. К ним относятся мощности напластований грунтов, окружающих
тоннель, и коренных пород, их сейсмическая жесткость, характеристики колебаний массива
(скорость сейсмических волн, преобладающий период, ожидаемая амплитуда), наличие
тектонических нарушений, активность и направление тектонических движений, крутизна и
устойчивость склонов и косогоров, вероятность возникновения оползневых явлений.
При проходке тоннеля через тектонические зоны, породы которых ослаблены по сравнению
с коренными, возможны осложнения, связанные с потерей местной устойчивости грунтов в
кровле и забое. В этом случае следует предусматривать мероприятия по временному
креплению выработок. Однако неблагоприятные инженерно-геологические условия (вывалы
горных пород, прорыв заполнителя тектонических трещин) после проходки не всегда
приводят к ухудшению работы обделки при эксплуатации тоннеля.
Образование свода вокруг выработки есть процесс самоорганизации природной техногенной
системы, т.е. адаптация ее природных элементов (породных блоков) к созданному среди них
техническому элементу (подземной конструкции). В этом случае на неустойчивых участках
образуются подземные своды, обеспечивающие устойчивость горных пород.
Доказательством этому является то, что в числе отмеченных за последние 15—20 лет
вывалов (более 400) не было повторных вывалов на тех же участках. Поэтому нет оснований
считать, что трудности при проходке отдельных участков тоннелей обязательно должны
привести к осложнениям в процессе эксплуатации их при землетрясениях.
Примером служит Северо-Муйский тоннель, при проходке которого во время землетрясений
в 2—4 балла наблюдались многочисленные вывалы. После закрепления их постоянной
54
обделкой не было нарушений и при землетрясениях до 6 баллов.

55.

14.3. Учет заглубления тоннельных конструкций при оценке интенсивности
сейсмического воздействия
Установление степени и характера влияния землетрясения на любое сооружение связано с
определением количественных характеристик колебаний грунтового массива. Сейсмические
воздействия на здания и сооружения задают либо в виде ускорений колебаний массива,
либо в виде амплитуд колебаний (смещений). Имеющиеся данные нормируют, например, с
учетом рекомендуемых ускорений в зависимости от балльности землетрясения: принимают
коэффициент kс и произведение АK1 по книге Дормана И.Я., используют также таблицы
скоростей колебаний частиц грунта и ожидаемых амплитуд смещений.
Целесообразно анализировать количественные данные о колебаниях массива у поверхности
и на глубинах, на которых расположены подземные сооружения, и установить динамику
изменения колебаний на глубине.
Физический смысл уменьшения интенсивности колебаний с увеличением расстояния от
поверхности земли состоит в том, что в случае если объемные волны подходят снизу, на
поверхности полупространства регистрируются удвоенные амплитуды за счет отражения от
дневной поверхности. Следовательно, на глубине, равной длине полуволны, амплитуда
уменьшается в 2 раза. При распространении же поверхностных волн Рэлея по мере
увеличения глубины А от поверхности энергия сотрясений уменьшается. Зависимость
амплитуды смещения в волне Рэлея от глубины при распространении волны в однородном
полупространстве определяется выражениями:
(14.1)
55

56.

В (14.1) Axh и Аx0 — амплитуды вертикальных смещений грунта соответственно на глубине А
и на поверхности; Axh и Аx0 — амплитуды горизонтальных смещений грунта на глубине h и на
поверхности; λ — длина волны; ν0 — коэффициент Пуассона грунта.
.
Сопоставление затухания смещений в поверхностной волне с глубиной, выполненное как по
экспериментальным данным, полученным при измерении колебаний, вызванных взрывами,
так и теоретически, на основе расчетов для лессовых суглинков (v0=0.44) и гранита (v0=0.3),
показывает достаточную их сходимость. Приведенные на рис. 14.3 (сплошными линиями)
экспериментальные данные аппроксимированы следующими аналитическими выражениями:
для лессовых суглинков:
для гранита:
56

57.

На рис. 14.3 показано, что для вертикальной и горизонтальной составляющей смещений
затухание с глубиной происходит неодинаково.
а
б
Рис. 14.3. Затухание смещений в поверхностной волне с глубиной (по Б. Г. Рулеву):
а — вертикальные составляющие амплитуд смещений; б — горизонтальная составляющая
амплитуд. 1 — лесс, масса заряда m=10 т, длина волны λ=120—170 м; 2 — лесс, m=1 т,
λ=75—100 м; 3 — лесс, m=160 кг, λ=50—80 м; 4 — лесс, m=20 кг, λ=40—60 м; 5 — гранит,
m=1—10 т, λ=120—180 м; I — лесс; II — гранит; сплошные линии — осреднение по
57
эксперименту; штриховые — теоретически рассчитанные данные

58.

Подобные данные были получены в процессе исследований при разработке одного из
карьеров в Армении. Отмечено, что сейсмовзрывной эффект у входа в тоннель был
значительно больше, чем в самом тоннеле, а замеренные приведенные сейсмические
ускорения на поверхности получились приблизительно в 10 раз большими, чем в тоннеле.
При землетрясении, происшедшем в районе Койно 29.10.1968 г. и в районе г. Пофали (на
западе Индии, штат Махараштра), проводились измерения, показавшие, что на глубине
250 м интенсивность была меньшей, чем на поверхности, примерно на 1 балл.
Изучение акселерограмм сейсмических колебаний поверхности и площадки строительства
подземного зала электростанции Кинугава, расположенного на глубине 67.2 м в твердых
туфах, показало, что максимальные ускорения грунта на поверхности примерно вдвое
больше ускорений заглубленных слоев, в то время как величины перемещений на
поверхности и глубине практически не отличаются друг от друга (рис. 14.4)
Рис. 14.4. Записи ускорений и перемещений на электростанции
Кинугава при землетрясении в Ниигата 16.06.1964 г.
58

59.

Аналогичные измерения котловине Танна и на глубине 160 м в тоннеле Танна показали, что
при длиннопериодных сейсмических колебаниях (Т=3÷4.5 с) различие в записях
незначительно, однако при сейсмических колебаниях с периодом 1 с перемещения на
поверхности примерно вдвое превышали перемещения на глубине, а при периоде 0.3 с это
превышение было 4-х кратным.
Измерения с помощью заглубленных в скважины, в слой плотного песка, сейсмографов в
г. Ураяси (Япония, префектура Тиба), показали, что во время землетрясений ускорения на
поверхности в 2—4 раза превосходили ускорения на глубине 37 м (рис. 14.5,а). Регистрация
ускорений на поверхности и глубине 38 м в подземном зале теплоэлектростанции Судагай,
расположенном в липаритах, показала, что амплитуды колебаний с периодом 0,35—0,5 с на
глубине составляли менее 50 % амплитуд ускорений на поверхности (рис. 14.5, б).
Рис. 14.5. Акселерограммы колебаний поверхности
(a, в) и нижних пластов грунта на глубине 37-38 м
(б, г), записанные в Японии: а, б — в Ураяси
(префектура Тиба); в, г — вблизи Сулагаи
(северная часть префектуры Гумма)
59

60.

Примером, подтверждающим, что для относительно сильных землетрясений отмечено
резкое уменьшение ускорения колебаний грунта по глубине, служат кривые 1—6 (рис. 14.6),
построенные по данным измерений на поверхности грунта и в скважинах на глубине до 20 м
во время землетрясений, представленных в докладе К. Акино и других исследователей.
Приведенные и ряд других специальных исследований послужили основой для введения в
японских нормах сейсмостойкого строительства специального коэффициента понижения
расчетного балла землетрясения с глубиной. Так, в частности, для глубин 20, 40, 80 и 100 м
этот коэффициент принят равным 0.88; 0.77; 0.58 и 0.51 соответственно.
Рис. 14.6. Распределение ускорений колебаний грунта
в скважинах во время землетрясений невысокой интенсивности
60

61.

При проектировании сооружений транспортной системы BARTD в США наряду с учетом
фактических ускорений, записанных во время реальных землетрясений, соблюдалось
требование о назначении пиковых вертикальных ускорений для заглубленных участков в
пределах от 1/3 до 2/3 от значений ускорений на поверхности.
Анализ и сравнение расчетных и фактических данных об уменьшении параметров колебаний
с глубиной, полученных различными исследователями (рис. 14.7), подтверждают, что при
назначении расчетной сейсмостойкости подземных сооружений наряду с сейсмическим
микрорайонированием следует учитывать степень заглубленности тоннеля.
Проделанные наблюдения и анализ теоретического рассмотрения распространения упругих
сейсмическтих волн в грунтах подтверждают также, что уменьшение сейсмических ускорений
частиц грунта по глубине установлено достоверно. Необходимо лишь разработать методы
количественной оценки этого явления.
Рис. 14.7. Зависимость снижения ускорений колебаний грунта от глубины по данным:
61
1, 2 — К. Каная и Т. Танака; 3 — Б.К. Карапетяна; 4 — С. Окамото и Т. Мицукоси;
5 — по японским нормам; 6 — нормируемая величина по СНиП II-7-81 и ВСН 193-81

62.

При определении расчетного коэффициента сейсмичности Kср степень влияния заглубления
тоннеля можно достаточно достоверно учитывать введением понижающего коэффициента
kh, на который следует умножать коэффициент сейсмичности Кс, определенный по данным
районирования на поверхности:
Это положение зафиксировано в п. 5.17 СНиП 11-7-81, где глубина заложения подземного
сооружения учитывается коэффициентом kh изменяемым линейно в пределах от 1 до 0.5
при глубинах до 100 м.
Применение дифференцированного коэффициента сейсмичности при проектировании
позволит снизить расчетные сейсмические усилия в обделках в 1.5—2 раза.
При проектировании в известняках горного транспортного тоннеля сводового очертания
сечением 8x6 м снижение коэффициента сейсмичности на один балл позволило снизить
расчетные внутренние напряжения в шелыге свода на 12 %, а для тоннеля сечением 8x10 м
снижение составило 18 %, что позволило уменьшить толщину обделки на 15 % и объем
бетона на 8—10 % [7].
62

63.

14.4. Основные принципы проектирования и размещения транспортных тоннелей
в сейсмических районах
Основным условием обеспечения надежной работы транспортных тоннелей является
комплексный учет при проектировании планировочных, расчетных и конструктивных
принципов и решений (рис. 14.8), позволяющий с рациональных позиций создать
работоспособную в условиях возможных сотрясений тоннельную конструкцию.
63
Рис. 14.8. Учет сейсмических воздействий при проектировании транспортных тоннелей

64.

Исходя из этого последовательность проектирования транспортных тоннелей в сейсмических
условиях можно представить в следующем виде:
- правильный выбор трассы тоннельного пересечения, обеспечивающий ее расположение в
наиболее благоприятных в сейсмическом отношении инженерно-геологических условиях;
- установление расчетной сейсмостойкости трассы на основе сеисмомикрорайонирования;
- назначение расчетной сейсмичности отдельных элементов комплекса тоннельного
перехода исходя из значимости объектов, глубины их заложения;
- правильный выбор общей схемы и системы подземного сооружения, его компоновка и
назначение основных размеров с учетом требований сейсмостойкости;
- расчет обделок на основные и дополнительные сочетания нагрузок, установление размеров
поперечных сечений;
- выбор схемы расчета обделок на действие сейсмических сил;
- расчет сейсмических воздействий;
-определение расчетных сейсмических усилий в элементах обделки и проверка несущей
способности обделки тоннеля.
Правильный выбор тоннельного перехода в благоприятных инженерно-геологических
условиях позволяет снизить сейсмичность площадки строительства на 1 — 2 балла по
сравнению с исходной сейсмичностью района в целом. В такой же степени может быть
снижена и расчетная сейсмостойкость тоннеля. Полученный при этом эффект определяется
значительным снижением сейсмических нагрузок, увеличение которых на один балл
соответствует увеличениюнагрузки вдвое. В благоприятных инженерно-геологических
условиях изменяется характер сейсмического воздействия: устраняются или смягчаются
тектонические нарушения, вторичные остаточные явления в грунтах. Тем самым устраняются
те факторы сейсмического воздействия, которые труднее всего учитывать при определении
расчетно-конструктивных мероприятий.
64

65.

Выбор местоположения тоннельного перехода с учетом сейсмических условий является
одним из наиболее существенных мероприятий по повышению эффективности
сейсмостойкого строительства, и нередко играет большую роль, чем совокупность всех
остальных мероприятий.
При выборе трассы тоннельного перехода следует отдавать предпочтение вариантам
заложения тоннелей в однородных по сейсмической жесткости грунтах, избегать участков
повышенной трещиноватости, зон резкого изменения топографии над тоннелем, зон
тектонических разломов, часто приуроченных к перевальным седловинам, а также склонов,
особенно сложенных слабыми и несвязными грунтами. При прочих равных условиях
следует отдавать предпочтение вариантам глубокого заложения тоннелей.
Пересечение тоннелем действующих тектонических нарушений следует осуществлять
вкрест их простирания с применением соответствующих конструктивных решений.
В горных районах, где выбор трассы ограничен рельефными условиями, полное
соблюдение указанных рекомендаций практически невозможно, но стремиться к этому,
особенно в районах высокой сейсмичности, необходимо.
В отдельных случаях трассу следует привязывать к тоннельному переходу,
осуществляемому в наиболее благоприятных по обеспечению сейсмостойкости условиях.
Одним из важных моментов при проектировании метрополитенов является оценка
оснований под перегонные и станционные тоннели, сооружаемые открытым способом.
Основание под перегонными тоннелями играет ответственную роль в обеспечении
сейсмостойкости этих конструкций. В случае залегания неоднородного или нарушенного
грунта в основании при его неравномерной осадке под сооружением возможно
возникновение такого напряженного состояния, которое даже при небольших
дополнительных напряжениях от воздействия сейсмических сил может привести
65
к трещинообразованию.

66.

Выбор трассы в плане и профиле с более благоприятным основанием существенно
сокращает расходы на антисейсмические мероприятия. К более благоприятным основаниям
СНиП II-7-81 отнесены скальные породы и плотные маловлажные крупнообломочные грунты,
к неблагоприятным — глинистые и песчаные ненасыщенные водой грунты, грунты
просадочные и текучие. При оценке оснований следует учитывать прочность и плотность
слабых грунтов, характер залегания пластов, уровень грунтовых вод.
При сейсмических воздействиях происходит некоторое изменение свойств различных
грунтов. Возникают осадки грунтовых масс, а вместе с ними и сооружений, возможны
явления разжижения водонасышенных грунтов.
При сотрясениях грунта силы трения между его частицами уменьшаются. Оседания
грунтовых масс при землетрясениях объясняются перераспределением частиц и их
уплотнением. Чем больше пористость грунтов и интенсивнее их сотрясение, тем больше
их оседание. Сыпучие грунты более склонны к виброуплотнению, чем связные.
Принятые в настоящее время положения по сейсмостойкому строительству, анализ
повреждений тоннелей при землетрясениях и научно-исследовательских и проектных
разработок позволяют сформулировать несколько основных принципов проектирования
тоннелей в сейсмических районах, которые следует учитывать при выборе конкретных
рекомендаций по проектированию транспортных тоннелей.
Основные принципы проектирования тоннелей в сейсмических районах следующие:
- равномерное распределение сейсмических сил;
- снижение величины инерционных сейсмических сил;
- снижение деформативности и повышение жесткости обделки в плоскости поперечного
сечения тоннеля;
- поглощение деформаций вдоль оси тоннеля.
66

67.

Выполнение первого принципа — требования равномерного распределения сейсмических
сил — достигается соблюдением симметричности и равномерного распределения масс и
жесткостей в сооружении. Для перегонных тоннелей метрополитена данное требование
выполняется практически всегда вследствие просторы формы поперечного сечения обделки
и ее симметричности. Наилучшим образом этому условию удовлетворяют конструкции
цельносекционной обделки при открытом способе работ и кольцевой при закрытом.
Из горных транспортных тоннелей в этом отношении представляют собой удачную в
отношении обеспечения сейсмостойкости конструкцию одно- и двухпутные железнодорожные
и автодорожные тоннели с криволинейными стенами с обратным сводом. По этой причине
большей сейсмостойкостью при прочих равных условиях обладают односводчатые станции
и станции пилонного типа по сравнению со станциями трехпролетной схемы открытого
способа работ из сборных плоскостных элементов.
Требование второго принципа — снижение величины сейсмических сил — выполняется
облегчением веса элементов обделки при использовании легких бетонов, а также за счет
применения замкнутых элементов, например цельносекиионных и объемных обделок для
перегонных и станционных тоннелей, в которых рационально используется материал обделки
по сечению, что позволяет при одной и той же нагрузке уменьшить сечения элементов. При
этом инерционные нагрузки от собственного веса уменьшаются на 20 — 25 %.
Требование третьего принципа состоит в снижении деформативности и повышении
жесткости обделки в плоскости поперечного сечения тоннеля; этому в большой степени
отвечают цельносекционные обделки перегонных тоннелей метрополитена и монолитные
обделки горных тоннелей.
Требование последнего принципа — поглощение деформаций тоннельной конструкции при
колебаниях, вызываемых землетрясением, — достигается применением антисейсмических
деформационных швов, обеспечивающих неразрушимость тоннеля в целом.
Из других общепринятых принципов проектирования сейсмостойких сооружений следует
67
отметить стремление применять крупноразмерные элементы, изготовляемые из
материалов, хорошо воспринимающих пластические и упругие деформации.

68.

14.5. Расчет обделок на сейсмические воздействия
Основным условием достижения сейсмостойкости подземных сооружений с точки зрения
расчетных требований является определение предельных состояний при сейсмическом
воздействии.
В действующих нормативных документах предусмотрено использовать метод расчета
конструкций по трем предельным состояниям.
Расчет по первому предельному состоянию (по несущей способности), который является
основным, должен установить, что действующая предельная нагрузка не достигает того
значения, при котором может произойти разрушение сооружения или его частей. Для этого
наибольшее из ожидаемых в процессе эксплуатации усилий (продольная и поперечная силы,
изгибающий момент и т.д.) сопоставляют с предельным усилием, опасным для сооружения.
Чтобы получить наибольшее ожидаемое усилие, вводят в расчет наиболее вероятные
максимальные эксплуатационные (нормативные) нагрузки, умноженные на коэффициенты
перегрузки, дифференцированные для различных нагрузок.
Произведение какой-либо нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки называют
расчетной нагрузкой, а усилие, соответствующее действию на сооружение расчетных
нагрузок, — расчетным усилием. Величину же предельного усилия назначают в зависимости
от механических свойств материалов, показатель которых умножают на коэффициент
однородности, меньший единицы, с тем, чтобы практически исключить возможность
разрушения конструкции вследствие случайного применения материала, обладающего
пониженными свойствами по сравнению с нормативными. Кроме того, предельное усилие
умножают на коэффициент условий работы. Однако сооружение, удовлетворяющее
требованиям прочности и устойчивости, может получать деформации и мелкие повреждения
(трещины), представляющие неудобства при его эксплуатации или сокращающие срок его
службы. Поэтому при обычных расчетах конструкций выполняют также проверку по второму
и третьему предельным состояниям — на деформации и трещиностойкость.
68

69.

Расчет сейсмостойкости основан на следующих положениях:
1 - разрушительные землетрясения редки и охватывают небольшие территории,
2 - некоторые повреждения, не опасные для жизни людей и не представляющие затруднений
для нормальной эксплуатации сооружения, рациональнее устранять после землетрясения,
чем удорожать сооружения в сейсмических районах в расчете на их неповреждаемость.
Исходя из основной цели обеспечения сейсмостойкости тоннелей — безопасной работы
обделок в условиях землетрясения расчетной балльности — проверку несущей способности
элементов обделки при расчете подземных сооружений с учетом сейсмического воздействия
следует выполнять по первому предельному состоянию (по несущей способности).
Не требуется, чтобы тоннельные сооружения, возводимые в сейсмических районах, не
получали бы никаких повреждений при землетрясениях той силы, на которую они
рассчитаны. Допускается, что в обделках могут появляться местные трещины и
незначительные повреждения, но предусматриваемые мероприятия должны гарантировать
надежность обделок в целом, поскольку выход их из строя может угрожать безопасности.
Допускаемое трещинообразование и проявление пластических деформаций играют
положительную роль, во-первых, повышая коэффициент затухания колебаний
и, во-вторых, увеличивая гибкость сооружения, период его свободных колебаний.
И то, и другое приводят к уменьшению коэффициента динамичности, т.е. к уменьшению
возникающих сейсмических усилий в конструкции.
Таким образом, расчет на сейсмостойкость производят лишь по первому предельному
состоянию, причем при возникновении землетрясения расчетной балльности допускаются
местные повреждения, ремонт которых не приведет к длительным перерывам в
эксплуатации. В то же время более частые землетрясения, интенсивность которых меньше
расчетной, не должны приводить к повреждениям основных тоннельных сооружений. 69

70.

При расчете подземных сооружений в соответствии с требованиями СНиП II-7-8 необходимо
учитывать специфику влияния кратковременных сейсмических нагрузок на прочность
материалов введением в условие прочности при расчете по первому предельному состоянию
дополнительного коэффициента условий работы mкр.
Коэффициент mt9 условий работы при расчете конструкций на действие сейсмических сил
Стальные и деревянные конструкции....................................................................1.4
Железобетонные конструкции.....................................................................1.1 — 1.2
Бетонные и каменные конструкции, работающие: на сжатие..............................1.2
на сдвиг и растяжение............................................................................................1.0
Сварные соединения..............................................................................................1.0
Сжатые и сжато-изогнутые стальные элементы гибкостью более 100
(при расчете на устойчивость)...............................................................................1.0
Болтовые соединения............................................................................................1.1
Методики расчета транспортных тоннелей представлены в нормативных документах, а также
в прилагаемом к монографии Дормана И.Я. руководстве. Идеи, заложенные в них, сводятся к
следующему. Расчет обделок следует производить с учетом свойств окружающих тоннель
грунтов и конструкции обделки методами теории упругости или строительной механики.
Обделки тоннелей глубокого заложения рассчитывают на одновременное действие
сейсмических волн сжатия-растяжения и сдвига с учетом всех возможных их направлений
в плоскости поперечного сечения тоннеля.
Расчет свободных обделок участков тоннелей глубокого заложения допускается производить
на действие контактных напряжений, определяемых методами теории упругости как для
монолитных обделок, а определение усилий производить методами строительной механики
с учетом наличия шарнирных связей в стыках.
70

71.

Расчет обделок участков тоннелей мелкого заложения, сооружаемых открытым способом,
можно вести по двум расчетным схемам.
Первая расчетная схема предполагает рассмотрение колебаний тоннеля, состоящего из
системы стоек и ригелей, как колебаний элементов рамы на упругом основании; в этом
случае можно использовать основные положения сейсмодинамической теории. Метод
позволяет исследовать колебания обделок и определять усилия по координатам и времени.
Для применения этого метода необходимо располагать данными о количественных
характеристиках колебаний поверхности и массива грунта, задаваемых законом колебаний в
зависимости от балльности района, или иметь акселерограммы, входящие в правую часть
дифференциальных уравнений колебаний тоннельной обделки. Здесь остается вопрос об
учете присоединяемой массы грунта, который формирует сейсмические воздействия на
обделку. Этот метод используют для определения форм колебаний элементов обделок.
Расчет целесообразно вести на действие инерционных сил от масс грунта и собственного
веса конструкций при вертикальном и горизонтальном направлениях сейсмического
воздействия, при этом интенсивность горизонтального инерционного давления грунта
определяют с учетом фактической податливости (смещения) конструкции.
Составляющую сейсмического воздействия, направленную вдоль оси тоннеля,
рекомендуется учитывать конструктивно, устройством антисейсмических деформационных
швов, расстояние между которыми определяют с учетом конструктивных особенностей
тоннелей и инженерно-геологических условий.
Для реализации этих положений в нормах установлен общий порядок расчетов с учетом
динамических воздействий, даются подробные методики и алгоритмы расчета.
После уточнения сейсмичности площадки строительства производят проектную разбивку
тоннеля на отдельные участки, отличающиеся инженерно-геологическими условиями и
типами назначаемых обделок, выбирают методы расчета каждого участка на сейсмические
воздействия, определяют расчетные усилия в элементах обделок и порталов
71
от статических и сейсмических воздействий, проверяют прочность поперечных сечений.

72.

14.6. Конструирование сейсмостойких обделок
Практические приемы конструирования сейсмостойких обделок транспортных тоннелей
связаны с соблюдением общих требований и принципов сейсмостойкого строительства.
Обделка по длине тоннеля должна иметь единую и однородную по жесткости конструкцию.
Частое изменение поперечного сечения тоннеля ухудшает его работу, так как в местах
изменений сечения при землетрясениях наиболее вероятна концентрация напряжений.
Поэтому для горных тоннелей рекомендуются конструкции из монолитного бетона, а для
тоннелей метрополитена, сооружаемых открытым способом, — из монолитного
железобетона. Такие конструкции предпочтительнее, чем обделки из сборных элементов.
При использовании в сейсмоопасных районах сборных конструкций обязательно устройство
соответствующих связей между сборными элементами, обеспечивающих надежность
обделки в целом. При этом чем крупнее отдельные элементы, тем большей надежностью
обладает обделка, так как сборный стык даже при высококачественном омоноличивании
всегда будет отличаться по своими жесткостными параметрами от сборных элементов.
Оптимальными конструкциями являются сборные цельнозамкнутые звенья обделок для
открытого способа работ — цельносекционные обделки.
Замоноличивание стыков сборных железобетонных обделок является главным условием
надежности их работы. При монолитном жестком перекрытии происходит более
рациональное распределение сейсмических нагрузок, действующих на обделку.
В тоннелях с монолитными железобетонными перекрытиями эти мероприятия в основном
сводятся к обеспечению надежной связи перекрытия с несущими стенами, а при сборных
перекрытиях, как правило, — к устройству в уровне перекрытий железобетонных продольных
поясов, которые не только служат связующим звеном между стенами и перекрытием, но и
способствуют превращению замоноличенного сборного перекрытия в жесткую
72
горизонтальную диафрагму.

73.

Целесообразно сооружать нижнюю сплошную железобетонную плиту, которая будет
выполнять функции распределительной плиты и служить основанием тоннеля, обеспечивая
совместную работу отдельных фундаментных элементов (блоков) обделки, распределять
сейсмические усилия по длине тоннеля. В этом случае наружная гидроизоляция тоннеля
будет своеобразным демпфером при передаче сейсмического воздействия от грунта
основания к тоннелю.
Для обеспечения равнопрочности сопряжений монолитных конструкций со сборными
необходимо рассчитывать прочность замоноличенных узлов и стыков, по возможности
уменьшая их число.
Опыт надежного соединения сборных железобетонных элементов, накопленный в
строительстве, позволил разработать специальные типовые конструктивные схемы и узлы.
Из многообразия таких решений применительно к тоннелям метрополитена открытого
способа работ следует выбирать те, которые дают возможность обеспечить сейсмостойкость
конструкций. При этом необходимо учитывать следующие требования.
Прежде всего должен соблюдаться принцип равнопрочности конструкции, т.е. прочность
узлов и стыков соединяемых элементов в сборной обделке должна обеспечивать передачу
продольных сжимающих и растягивающих усилий и изгибающих моментов. Для плитных и
коробчатых перекрытий должна быть исключена возможность их сдвига или срыва с мест
опирания в любом направлении. Размеры площадок опирания для балок и плит перекрытия
должны быть увеличены.
Для расчетов прочности различного рода соединений элементов конструкции сооружений
можно использовать рекомендации действующих норм и инструкций. Следует стремиться к
тому, чтобы в стыках и узлах между отдельными элементами могли происходить
пластические деформации. Предпочтительными являются в этом случае арматура и
закладные металлические части, в том числе болтовые соединения из более пластичных
сталей. Оптимальной в этом аспекте конструкцией является сборная обделка
73
со связями на высокопрочных болтах.

74.

При омоноличивании большая пластичность узла достигается, например, при армировании
большим числом стержней меньших диаметров. Соединения выпусков арматуры или
специальных закладных деталей в швах и стыках между сборными элементами могут
выполняться электросваркой высококачественными электродами с обеспечением
пластичности швов. При низкокачественной сварке шов получается жестким, хрупким, плохо
работающим на динамические нагрузки.
Конструкция стыков и узлов должна быть простой, что упрощает производство работ и
повышает их качество. Швы между отдельными элементами и места узлов после сварки
выпусков следует заделывать высокопрочным бетоном с пониженной усадкой, узкие места —
цементным раствором. В швах должно быть сцепление бетона с элементами конструкций.
Швы между элементами сборного перекрытия и стенами не следует заделывать битумными
составами, мастиками, низкая прочность которых не может обеспечить монолитности всей
конструкции из сборного железобетона. Тоннель не будет представлять собой единого
элемента, сотрясения приведут к неравномерному распределению усилий между опорами.
Сложности, связанные с осуществлением высококачественного стыкования, отпадают при
применении обделок из цельносекционных элементов.
При выборе очертания поперечного сечения, материала и конструкции обделки необходимо
иметь в виду возможность резкого увеличения горного давления и развития значительных
остаточных (вертикальных и боковых) сейсмических смещений тоннельной выработки в
местах нарушения структуры грунтов, в зонах контакта различных пород, на участках,
пролегающих в рыхлых водонасышенных грунтах, на участках крутого изменения рельефа
земной поверхности (при неглубоком заложении тоннеля).
74

75.

Учитывать расчетами влияние этих факторов трудно, поэтому надлежащую сейсмостойкость
тоннельного сооружения на неблагоприятных участках трассы рекомендуется обеспечивать
конструктивными мерами, а именно продольным и поперечным конструктивным
армированием и применением материала, более прочного, чем на остальных, более
благоприятных участках. Целесообразно несколько увеличивать габариты обделок, учитывая
ожидаемые амплитуды колебаний грунта и возможные смещения, в связи с этим, участков
обделок относительно проектной оси тоннеля.
Перегонные и станционные тоннели метрополитенов имеют сопряжения; кроме того, на
перегонах сооружают различные камеры специального назначения, вентиляционные стволы,
примыкания и т.п. В железнодорожных тоннелях также имеется много поперечных камер,
штолен, ниш. Каждое из таких сооружений отличается от других по жесткости поперечных
сечений конструкций и по нагрузкам на них.
14.7. Антисейсмические деформационные швы
При проектировании сопряжений конструктивных элементов тоннелей в сейсмических зонах
необходимо решить вопрос о том, какие соединения (жесткие или гибкие) рациональны в
этих условиях.
Во время землетрясений каждый из участков тоннеля будет колебаться со своей
собственной частотой, что может приводить к повреждениям в местах соединения.
Чтобы избежать разрушений, желательно каждый из таких участков рассчитывать отдельно,
однако таким образом, чтобы периоды свободных колебаний участков были близки.
Это снизит сейсмические усилия в соединяющих элементах сооружения, что сделает их
более надежными.
Если это требование выполнить не удается, то такие участки целесообразно сопрягать с
сохранением возможности их взаимного смещения. Отечественная практика проектирования
и строительства комплекса сооружений метрополитена имеет пример осуществления 75
подвижной связи между отдельными элементами.

76.

Таким решением является конструкция телескопического сопряжения наклонного
эскалаторного тоннеля с вестибюлем. Это решение, проверенное практикой и допускающее
взаимные перемещения конструкций под влиянием иных, нежели сейсмические нагрузки,
причин, вполне может быть использовано и при сопряжениях перегонных тоннелей со
станциями и другими сооружениями, проектируемыми в сейсмических районах.
Подобное решение осуществлено в тоннелях транспортной сети в районе Сан-Франциско.
Тоннель, пролегающий в толще аллювиальных отложений по дну морского залива, по концам
соединен с вентиляционными камерами, расположенными в скальных грунтах, с помощью
гибких неопреновых вставок, допускающих продольные деформации до 15 см, а также
повороты тоннеля относительно камер. Так же выполнено и соединение металлической
обделки перегонного тоннеля с бетонными обделками станций.
Однако при заложении тоннеля в относительно однородных по сейсмической жесткости
грунтах при землетрясение могут образоваться трещины по кольцевым сечениям.
В этом случае целесообразно через определенные расстояния устраивать антисейсмические
деформационные швы (АДШ), что позволяет избежать попадания отдельных жестких по всей
длине участков в условия разных фаз колебаний.
Расстояние между температурно-осадочными швами, которые устраивают по длине тоннеля,
регламентируется нормами. Желательно, чтобы антисейсмические швы были совмещены
с температурно-осадочными. Если же в результате расчета окажется, что расстояние между
антисейсмическими швами должно быть меньше, чем между температурно-осадочными,
то необходимо устраивать дополнительные антисейсмические швы.
Антисейсмические швы в перегонных тоннелях должны полностью разделять по высоте
отделяемые друг от друга участки или секции сооружения.
Динамические характеристики (жесткость, период колебаний) конца участка сооружения
у антисейсмического шва должны быть такими же, как и в основной части секции.
76

77.

Ширину шва следует принимать из условия полного недопущения соударения разделенных
этим швом частей сооружения. Минимальная ширина антисейсмического шва должна быть
не менее суммы наибольших возможных при сейсмическом воздействии горизонтальных
смещений участков сооружения, разделенных этим швом, с учетом некоторого запаса.
Чем слабее основание под сооружением, чем более оно подвержено неравномерным
осадкам, тем большей должна быть ширина антисейсмического шва.
Теория сейсмодинамики сложных систем подземных сооружений позволяет определить
расстояние между антисейсмическими швами по формуле:
(14.1)
где nд — коэффициент, учитывающий динамическую работу подземных сооружений (для
однородных по длине перегонного тоннеля участков можно принимать n=2); 6 — допустимое
предельное перемещение соседних участков тоннеля, обеспечивающее заданные условия
его эксплуатации (например, сохранность гидроизоляции), см; δ — ожидаемая максимальная
амплитуда колебаний почвы при землетрясении (0 ≤ Ао ≤ 30 см); с — скорость продольных
сейсмических волн в грунте, м/с; Т — преобладающий период колебаний почвы при
землетрясении (0.1 ≤ Т≤ 1.5), с.
Значение коэффициента nд не зависит от грунтовых условий; габаритов конструкций в узле
сопряжения и других условий; с усложнением узла сопряжения это значение увеличивается.
Определяется этот коэффициент теоретически методами динамической теории
сейсмостойкости сложных систем подземных сооружений.
Антисейсмические деформационные швы обязательно следует устраивать в местах
соединения тоннелей различного поперечного сечения, например у станций в местах
присоединения к тоннелям притоннельных сооружений различного назначения, в местах
77
резкого изменения грунтовых условий вдоль трассы тоннелей.

78.

Совмещение температурно-осадочных швов с антисейсмическими упрощает конструкцию
тоннеля в целом. В этом случае конструкцию антисейсмического шва следует выбирать
такой, чтобы при заданном расстоянии между соседними швами обеспечивалось расчетное
предельное перемещение δ.
Если ось тоннеля пересекает разлом или границу слоев с различными акустическими
(сейсмическими) жесткостными свойствами то можно рекомендовать следующие схемы
размещения АДШ для тоннеля высотой около 9 м в выломке (рис. 14.9). При угле α падения
плоскости разлома или плоскости раздела слоев различной акустической (сейсмической)
жесткости к вертикали от 20 до 60° (tgα = 0.36—1.73) швы размешаются по длине тоннеля по
границам пересечения плоскости разлома с сечением тоннеля (рис. 14.9, а). При угле α от
60° до 80° к вертикали (tgα = 1.73—5.67), швы также размещают на границах пересечения
плоскости разлома с сечением обделки (рис. 14.9,б), а в случае, если это расстояние L'
окажется больше, чем величина L, определяемая по формуле (14.1), то устраивается
дополнительный промежуточный АДШ.
Если плоскость границ слоев грунта с
различной сейсмической жесткостью
идет вдоль продольной оси тоннеля
(α > 80°—90°; tgα = 5.67), то
расстояние между АДШ (рис. 14.9,в)
определяется по (14.1) исходя из
параметров наиболее слабого по
сейсмической жесткости грунта.
Рис. 14.9. Размещение антисейсмических деформационных швов:
1 — основной; 2 — дополнительный
78

79.

В тоннелях метрополитена антисейсмические швы должны прорезать не только конструкцию
обделки, но и путевой бетон; опыт показал, что в противном случае происходит
растрескивание путевого бетона уже при 4—5-балльных землетрясениях. По этой же
причине менять тип верхнего строения пути тоннеля (при переходе от подземных
участков трассы к открытым) следует вне пределов портального участка.
Внутренние элементы конструкции тоннелей, например, на станциях метрополитена следует
проектировать с учетом упругих деформаций несущих элементов. В этом случае всегда будет
обеспечена их требуемая работоспособность даже в условиях сильных землетрясений.
Рекомендуется применять гибкие подвески лестниц, пересадочных мостов над путями и пр.
В случае сложного взаимного пересечения подземных выработок ответственного назначения,
когда по условиям эксплуатации требуется не допустить смещения одной выработки
относительно другой во время землетрясения, необходимо проектировать усиленное жесткое
сочленение конструкций. Из практики проектирования антисейсмических деформационных
швов расстояние между ними по оси тоннеля находится в пределах 20—40 м.
В сборной железобетонной обделке из сплошных блоков с металлоизоляцией, в которой
продольные и кольцевые швы между блоками перекрываются металлическими накладками,
привариваемыми к металлоизоляции, деформационные швы выполняют согласно рис. 14.10.
Соседние кольца разделяют прокладкой (например, из антисептированной фанеры), а
кольцевой шов перекрывают упругой металлической накладкой, привариваемой к
металлоизоляции. Кольцевое пространство за деформационной накладкой заполняют тощим
цементным раствором.
79

80.

Рис. 14.10. Деформационный шов в сборной
железобетонной обделке с металлоизоляцией для
водонасыщенных грунтов: а — общий вид тоннеля:
1 — металлоизоляция; 2 — стыковые накладки;
3 — деформационный шов; 4 — фанера, пропитанная
антисептиком; 5 — сварной шов; б — узел В: 6 —
железобетонные блоки; 7 — деформационная навалка;
8 — тощий цементный раствор; 9 - стыковая накладка
Основные характеристики конструкции
Показатель
Количество
Толщина листа металлоизоляции, мм 6-8
Расход металла, т, на
металлоизоляцию на 1 п.м
0.8- 1
стыковые накладки на 1 п.м
0.9-0.12
деформационный шов
0.15 - 0.18
Расстояние между швами, м
по расчету
80

81.

Антисейсмический деформационный шов в монолитной обделке с металлоизоляцией
устраивают по схеме согласно рис. 14.11. Для уменьшения жесткости обделки в зоне
деформационного шва и чтобы его элементы не выступали за внутренний контур обделки,
устраивается кольцевая штроба, обрамленная металлическими листами.
Рис. 14.11. Деформационный шов в
монолитной обделке с металлоизоляцией
для водонасыщенных грунтов:
а — общий вид обделки: 1 —
металлоизоляция; 2 — деформационный
шов; б — узел В: 3 — уголок; 4 — закладные
детали для крепления узла; 5 — фанера,
пропитанная антисептиком; 6 — уплотнение
из маслобензостойкой (МБС) или
кислотощелочестойкой (КЩ) резины
Основные характеристики конструкции
Показатель
Количество
Толщина листа
6-8
металлоизоляции, мм
Расход металла, т, на:
0.8- 1.0
металлоизоляцию на 1 п.м.
деформационный шов
1.2 – 1.6
Расстояние между швами L Определяется
расчетом
Геометрические размеры
конструкции шва А Б В
Определяются
конструкцией и
технологией установки
81
болтов

82.

Соседние участки обделки по оси штробы разделяются кольцевой прокладкой.
К металлоизоляции штробы приваривают металлические фланцы, между которыми
с помощью болтов зажимают упругое гидроизолирующее кольцо (из резины или других
герметизирующих материалов). Расстояние между болтами составляет 200 — 250 мм.
В монолитно-прессованной бетонной обделке ввиду ее большой жесткости деформационные
швы устраивают не менее чем через 10 — 15 м (рис. 14.12). Внутрь обделки закладывают
деревянные антисептированные кольца, а между ними антисептированную фанеру,
защемляемую между двумя металлическими листами. Изнутри тоннеля зазор между листами
перекрывается металлическими прокладками, привариваемыми к листам.
Рис. 5.12. Деформационные швы в
монолитно-прессованной бетонной обделке
(с дисперсным армированием): а — общий
вид обделки: 1 — деформационный шов;
б — варианты швов (узел Б); 2 - труба ½
дюйма; 3 — металлический лист;
4 — прессованная фанера, пропитанная
антисептиком
Основные характеристики обделки
Внутренний диаметр, мм
5200
Толщина обделки, мм
350 - 370
1
Объем бетона на 1 п.м, м
6
Расход металла на шов, кг
300 - 350
82

83.

14.8. Сопряжения между круговыми тоннелями и станциями метрополитена,
сооружаемыми открытым способом
При колебаниях во время землетрясений, а также для защиты от температурных расширений
круговая обделка перегонного тоннеля должна иметь гибкое сопряжение с торцевой стеной
станции метрополитена. Указанное сопряжение должно допускать в определенных пределах
взаимные смещения перегонного тоннеля и стены станции с сохранением гидроизоляции.
В случае применения в качестве обделки перегонного тоннеля железобетонной конструкции с
металлоизоляцией (рис. 14.13) соединение представляет собой прижимное металлическое
кольцо, заанкеренное в торцевую плоскость последнего кругового кольца и привариваемое к
металлоизоляции. Другой конец кругового листа соединяется на болтах с заанкеренным в
стену камеры металлическим кольцом через упругую прокладку из резины или герметика.
Рис. 14.13. Конструкция сопряжения железобетонной обделки со стеной камеры: а — сборная
железобетонная обделка: 1 — стена камеры; 2 — тощий цементный раствор; 3 — оклеенная
гидроизоляция; 4 — уплотняющий жгут; 5 — железобетонные блоки; б — железобетонная обделка с
металлоизоляцией: 6 — стена камеры; 7— гидроизоляция; 8 — заанкеренное в стену металлическое
кольцо; 9 - уплотнение из резины МБС или КЩ; 10 - заанкеренный в бетон обделки металлический лист;
83
11 — металлоизоляция; 12 — железобетонная обделка (монолитная или из блоков)

84.

Если применяется водонепроницаемая обделка из сборных железобетонных блоков, то
упругость и водонепроницаемость обеспечиваются запрессовкой между стеной камеры и
последним кольцом круговой обделки уплотняющего жгута (из резины или герметиков) и
защищаемого фартуком из одногo-двух слоев оклеечной гидроизоляции.
Несколько иной вид сопряжения может быть использован при применении в качестве
кругового тоннеля чугунной обделки (рис. 14.14).
Для обеспечения водонепроницаемости и
податливости стыка обделки с камерой применяется
прижимное металлическое кольцо, имеющее в
поперечном сечении вид полукольца с фланцами.
С одной стороны кольцо приболчивается к
кольцевому борту тюбингов, с другой стороны —
к металлическому кольцу, заанкеренному в стену
камеры. Пространство между торцом стены,
тюбингами и прижимным кольцом заполняется
тощим цементным раствором. Другой вариант
примыкания — плоское металлическое кольцо,
приболчиваемое к закладному кольцу с
уплотнением из упругого герметизирующего
материала (например, резины).
14.14. Конструкция сопряжения сборной чугунной
обделки со стеной камеры: а — общий вид
сопряжения: 1 — стена камеры; 2 — тощий
цементный раствор; 3 — чугунные тюбинги; 4 —
металлическое упругое кольцо; 5 — гидроизоляция;
6 — заанкеренное в стену металлическое кольцо; 7
— чугунная обделка; б — узел В:
8 — антикоррозионное покрытие; 9 — уплотнение из
МБС или КЩ резины; 10 — металлическое кольцо;
84
11 — болт; 12 — чугунный тюбинг

85.

15. Строительство транспортных тоннелей в сейсмических районах
15.1. Перегонные тоннели метрополитена
В России и СНГ накоплен определенный опыт проектирования и строительства
метрополитенов в сейсмических районах. Так, метрополитены в Тбилиси и Баку сооружались
в 7-балльной сейсмической зоне, Ереване — в 8-балльной, Ташкента — в 9-балльной.
Ниже рассмотрен ряд конструкций метрополитена, выполненные в сейсмических районах.
Строительство метрополитена в Ташкенте отличалось сложными инженерно-геологическими
и сейсмотектоническими условиями. Просадочные грунты, высокий уровень грунтовых вод и
9-балльная сейсмичность района потребовали таких технических решений, которые, с одной
стороны, обеспечивали бы надежность работы конструкций во время землетрясений,
а с другой — индустриального строительства.
В процессе проектирования и строительства был проведен большой комплекс теоретических
и экспериментальных работ, в том числе в натурных и стендовых условиях, позволивших
обосновать принципиальные проектные решения и на этой базе создать эффективные
сейсмостойкие обделки перегонных тоннелей и станций метрополитена.
Трудности проектирования и строительства метрополитена в Ташкенте заключались в почти
полном отсутствии нормативных материалов, регламентирующих расчетные и
конструктивные положения по проектированию подземных сооружений в сейсмических
районах, а также учитывающих особенности производства работ в этих условиях. Был
разработан комплекс эффективных антисейсмических мероприятий как в техническом, так и
в экономическом отношении.
Подземные конструкции не имеют такой свободы перемещения при колебаниях, как,
например, наземные здания и сооружения. При распространении сейсмических волн в
массиве вокруг тоннеля изменяется поле сейсмических напряжений, они концентрируются на
границе грунта и подземной выработки и вызывают значительные контактные нагрузки и
внутренние напряжения, нередко превосходящие несущую способность конструкций. 85
Эти напряжения могут вызвать повреждения обделок, вплоть до их разрушения.

86.

В мировой практике имеется опыт строительства тоннелей метрополитенов в районах
высокой сейсмичности. По представлениям американских специалистов конструкция тоннеля
должна приспосабливаться к знакопеременным колебаниям грунта без накопления
необратимых деформаций, поэтому при проектировании и строительстве линии
метрополитена в Сан-Франциско (США) для обделок были применены металлические
(чугунные и стальные) тюбинги со связями из высокопрочных болтов.
Основным критерием при проектировании было обеспечение достаточной пластичности для
поглощения деформаций без потери несущей способности и трещинообразования. Выбор
таких критериев предопределил и подход к конструированию обделок. Главное внимание
уделялось стыкам и сопряжениям элементов. Что же касается критерия сопротивления
тоннеля инерционным нагрузкам, то этот вид сейсмических воздействий считали
второстепенным. Этот тезис хорошо согласуется с выводами из анализа повреждений и
рассмотрения особенностей работы тоннельных конструкций при землетрясениях.
Из японского опыта проектирования сейсмостойких тоннелей можно сделать вывод, что
здесь принято противоположное решение: проектировщики стремятся устроить как можно
более жесткую конструкцию из железобетона, а поскольку тоннели метрополитена в Японии
сооружаются открытым способом, основной конструкцией является сильно армируемая
монолитная прямоугольная рама. Сборный же железобетон в Японии применяется в малом
объеме, а тоннели метрополитена глубокого заложения здесь практически отсутствуют.
Такая тенденция вполне объяснима общими направлениями в проектировании
сейсмостойких конструкций. И гибкие, и жесткие конструктивные схемы имеют свои
положительные и отрицательные стороны; оба типа конструкций могут обеспечить
требуемую сейсмостойкость, и выбор, в итоге, зависит уже от технико-экономического
сравнения вариантов, в частности наличия соответствующих материальных ресурсов.
86

87.

В целом американская практика сейсмостойкого строительства транспортных тоннелей
ориентируется на малотрудоемкие, но металлоемкие гибкие конструкции из стали и чугуна,
а японские тоннелестроители используют монолитные конструкции, требующие больших
трудовых затрат относительно недорогой в Японии рабочей силы.
В СССР строительство было ориентировано на применение сборных железобетонных
конструкций, обладающих технико-экономическими преимуществами по сравнению с
металлическими или монолитными железобетонными конструкциями.
Поэтому при проектировании Ташкентского метрополитена был взят курс на максимальное
использование сборного железобетона.
Рассмотрим конструкции перегонных тоннелей закрытого способа работ.
В техническом проекте для Ташкентского метрополитена было предусмотрено применить
круговую ребристую железобетонную обделку с усиленным болтовым соединением колец
между собой и с деформационными швамичерез 50—60 м по длине тоннеля.
При такой конструкции обделки (тип I по табл. 15.1) расход металла, включая закладные
детали и арматуру, увеличивался на 76 % по сравнению с расходом его в случае применения
унифицированной обделки, принятой для обычных (несейсмических) районов.
Конструкция обделки I типа хорошо воспринимает действие сейсмических волн,
направленных вдоль оси тоннеля, и вполне приемлема для скальных и полускальных пород,
жесткостные характеристики которых близки к жесткостным характеристикам железобетона.
Однако перегонные тоннели в Ташкенте предполагалось сооружать в лессовидных
суглинках, поэтому было необходимо обеспечить поперечную жесткость обделки: при
нагнетании и увлажнении лессовидного суглинка возможны местные просадочные явления в
окружающем тоннель грунте и, как следствие этого, снижение отпорных свойств массива.
В этих условиях при землетрясении с амплитудами 10—16 см возможно изменение
геометрии поперечного сечения кольца обделки, при которой эксплуатация таких участков
тоннелей и линии в целом невозможна.
87

88.

Таблица 15.1. Объемы материалов, необходимых для устройства 1 м обделки перегонных
тоннелей метрополитена при закрытом способе работ
Материал
Железобетон сборный, м'
Бетон омоноличивания, м*
Сталь, кг
В том числе:
арматура
сейсмосвязи и закладные детали
Унифицированная обделка
для обычных
районов
3,46
—
254,3
Типы обделок метрополитена Ташкента
I
11
III
IV
3,24
—
447,0
3,61
0,08
307,3
3.67
0,02
285,0
3,69
—
278,0
227,0
27,3
382,3
64,7
237,1
70,2
240,0
45,0
240,0
38,0
В связи с этим в конструкцию унифицированной обделки были внесены принципиальные
изменения. В качестве основных условий обеспечения сейсмостойкости обделки в
поперечном сечении были рекомендованы соблюдение принципа связи элементов в кольце и
устройство антисейсмических швов по длине тоннеля, компенсирующих деформации.
В соответствии с этими рекомендациями были разработаны и применены на первой и второй
линиях Ташкентского метрополитена две конструкции (типы II и III в табл. 15.1). Конструкция
по типу II представляет собой унифицированную обделку, применяемую для несейсмических
районов, с тем отличием, что у каждого блока имеются скошенные углы, из которых
выведены арматурные петли (рис. 15.1), соединяемые после монтажа обделки
металлическими планками и омоноличиваемые.
Однако в период строительства перегонных тоннелей был выявлен ряд недостатков этой
конструкции, заключавшихся в трудоемкости заполнения антисейсмических швов бетоном,
сложности надежной заделки сейсмоузлов, больших потерях при первичном нагнетании.
88

89.

В результате коэффициент заполнения заобделочного пространства не превышал 0,66, и во
многих кольцах наблюдалась значительная (до 10—15 см) горизонтальная эллиптичность.
Ряд колец приходилось перебирать, так как они частично входили в габарит приближения
строений.
Рис. 15.1. Сейсмостойкая железобетонная обделка перегонного тоннеля закрытого способа
работ: 1 — замок (блок типа 55 ВС); 2— блоки типа 55 НС; 3 - отверстие для подъема блока и
нагнетания за обделку; 4 - монтажная шпилька; 5 — лотковый блок; 6 - арматурные
89
монтажные петли; а — кольцо; о — схема расположения антисейсмических швов;
в — стык между блоками

90.

Обделка типа II была усовершенствована с частичным изменением конструкции сейсмоузла
и устранением сквозных отверстий между элементами (рис. 15.2). Эта усовершенствованная
обделка (тип III по табл. 15.1) позволила улучшить процесс первичного нагнетания, однако
недостатки предыдущей конструкции (высокая трудоемкость заполнения сейсмошвов
бетоном и трудность обеспечения качества омоноличивания) остались.
Практика сооружения обделок типов II и III показала, что применяемая конструкция
сейсмоузлов является «узким» местом строительства. При достаточно высоких и устойчивых
скоростях проходки и монтажа обделки, на 25—50 % превышающих нормативные, на многих
участках тоннелей строители не успевали омоноличивать сейсмоузлы, следствием чего и
было появление указанных выше деформаций колец.
Из-за недостаточного объема раствора, закачиваемого при нагнетании, при контрольном
нагнетании за обделку подавалось большое количество цементного молока (до 0,6 м3 на
метр длины обделки), что приводило к увлажнению окружающего лессовидного грунта.
Расчеты и стендовые испытания обделок типов II и III свидетельствовали об их достаточной
несущей способности, поэтому антисейсмический узел можно рассматривать только как
связь элементов в кольце, необходимую в случае потери грунтом отпорных свойств и
расстройства шарнирной системы. Была разработана обделка в которой для связи соседних
элементов использовали скобовые соединения (тип IV в табл. 15.1).
Рис. 15.2. Конструкция сейсмоузла со
стержневыми арматурными выпусками:I —
вырезы в углах блоков; 2 — арматурный стержень
90

91.

В техническом решении «Сборная обделка тоннеля» кольца сборной железобетонной
обделки сплошного сечения с антисейсмическими связями — скобами состоят из блоков пяти
типоразмеров: лоткового с плоской внутренней поверхностью, нормальных блоков,
нормальных предлотковых, половинных блоков и замковых элементов (замок может состоять
из двух или трех элементов) (рис. 15.3, а).
Для обеспечения перевязки швов количество и набор блоков в кольцах чередуются (рис.
15.3, 6), одно кольцо состоит из лоткового, двух предлотковых, нормальных блоков, четырех
нормальных блоков и замковых элементов, располагаемых в шелыге свода; следующее
кольцо состоит из лоткового блока, двух предлотковых половинных блоков, пяти нормальных
блоков и замковых вкладышей, смещенных по отношению к вертикальной оси тоннеля.
В качестве антисейсмических связей используются стальные П-образные скобы,
устанавливаемые при монтаже обделки по кольцевому торцу собранного кольца в
специальные цилиндрические гнезда и соединяющие соседние блоки (рис. 15.3, в). На
противоположных торцах блоков имеются пазы, по размерам соответствующие выступающей
за торец кольца части скоб. Пазы в блоках оформляются металлическими полуцилиндрами
(разрезаемыми вдоль отрезками трубы). Скоба, соединяющая замковые и смежный блоки,
имеет укороченную среднюю часть; длина одного из штырей этой скобы, проходящего через
все замковые элементы, соответствует ширине кольца (рис. 15.3, г).
В другом техническом решении кольцо сборной железобетонной обделки сплошного сечения
с антисейсмическими связями — шпильками состоит из блоков четырех типоразмеров (рис.
6.4) одного плоского лоткового, шести нормальных и трех замковых элементов. В
продольных стыках между блоками устанавливается по две шпильки: при монтаже каждый
последующий блок насаживается специальными гнездами на шпильки предыдущего блока.
91

92.

92

93. БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

93