Физическое моделирование конструкций станции метрополитена методом эквивалентных материалов

Апрель, 2015
Автор: Роман Креер, аспирант Кафедры «Тоннели и метрополитены» ПГУПС

В 2014 году в вагонах метрополитена появилась новая схема, с расположенной на ней 6-ой Красносельско-Калининской линией. Первая очередь которой состоит из 6 станций. Станции метрополитена представляют собой наиболее ответственные, сложные и дорогостоящие сооружения, в связи с чем их проектированию и строительству уделяется особое внимание.

Красносельско-Калининская линия Петербургского метрополитена

В «Комплексной программе совершенствования технологий сооружения и постоянных конструкций Петербургского метрополитена», принятой в 2013 году, подчеркивается необходимость руководствоваться принципами ускорения и удешевления строительства (не в ущерб качеству, разумеется). Для этого требуется совершенствовать применяемые конструкции и технологии, используемые в метростроении. В частности, в программе предлагается использование монолитного железобетона и опережающего крепления лба забоя и кровли для минимизации осадок земной поверхности при строительстве подземных станционных сооружений.

На сегодняшний день в Санкт-Петербурге существует одна выработка, построенная с применением опережающего крепления лба забоя и кровли. Эффективность и возможность строительства с применением данного метода подтверждена сотрудниками кафедры «Тоннели и метрополитены» при научном сопровождении строительства венттоннеля шахты № 620. Эта же технология предлагается для строительства тоннелей станции «Черниговская».
Таким образом, при строительстве станции будет использована новая для наших условий технология. Несущие конструкции рассматриваемой станции пилонного типа будут выполнены из монолитного железобетона. Первичная крепь будет состоять из металлических арок двутаврового сечения, покрытых набрызгбетоном в сочетании с опережающим веерным креплением кровли, выполненным из металлических труб с цементным раствором. Опережающее крепление лба забоя предполагается из полимерных анкеров.
В связи с новизной технологии в настоящее время еще не накоплен достаточный опыт сооружения таких конструкций в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, что вызывает необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований.
Вопреки распространенному мнению, для анализа работы конструкции недостаточно проведения только математического моделирования. Для того чтобы подтвердить правильность выбранной расчетной схемы требуется проведение физического моделирования. Наиболее удобно для этого использовать метод эквивалентных материалов в масштабе 1/20.
В лаборатории моделирования тоннельных конструкций кафедры «Тоннели и метрополитены»  выполнена модель грунтового массива соответствующего масштаба, в котором будет располагаться модель рассматриваемой станции. Стенд для проведения исследования представляет собой металлическую рамную конструкцию. Поскольку материал модели слабый и не держит вертикального откоса, стенд имеет закрытые со всех сторон стенки. Для проведения визуальных наблюдений и фиксации деформаций, передняя стенка предусмотрена из стекла. Задняя стенка, собранная из швеллеров, имеет проемы, закрытыми щитками, для осуществления «проходки» станционных тоннелей. Стенд оснащен 6-ю гидравлическими домкратами, способными создать давление до 7 т/м2 каждый.

Идея метода эквивалентных материалов заключается в следующих положениях:

  • модель толщи пород изготовляется из подобранных материалов с соблюдением геометрического подобия модели и натуры;
  • в целях достижения механического подобия материалы эквивалентной смеси подбираются так, чтобы находиться в соответствии с физико-механическими характеристиками реальных горных пород;
  • эти соотношения определяются на основе общего закона динамического подобия;
  • моделирование конструкций также должно соответствовать требованиям механического подобия натуре.

При соблюдении указанных условий, процессы, происходящие в модели, должны развиваться в форме близкой к натуре.

Стенд для испытания масштабных моделей подземных сооружений

Исходя из условия соблюдения механического подобия Ньютона, выбраны  величины, характеризующие эти грунты: модуль деформации Е, удельное сцепление – С, угол внутреннего трения φ, коэффициент Пуассона ν.
Подбор этих характеристик эквивалентного материала осуществлялся в соответствии с теорией механического подобия по формулам:
  (1.1.)

  (1.2.)
    
При этом безразмерные параметры, характеризующие грунтовый массив модели и натуры, должны быть равны между собой.
  (1.3.)

   (1.4.)

где :


Емг и Енг– модули общей деформации материала грунтового мас-сива, соответственно, в модели и натуре;

VH  и VM - коэффициент Пуассона грунта в модели и натуре;

См г  и  Сн г  - удельное сцепление грунта модели и натуры;

 - угол внутреннего трения материала грунта модели и натуры;

  – линейный масштаб моделирования;

Yм   и    Yн – плотность грунта в модели и натуре.


Для получения материалов, соответствующих приведенным зависимостям был осуществлен подбор смеси, эквивалентной переуплотненной кембрийской глине. Смесь состоит из песка, солидола-ж и слюды и укладывается по особой технологии в горячем состоянии (100оC). Определение деформационных и прочностных характеристик эквивалентного грунта в условиях трехосного сжатия производилось на стабилометре типа «Б». Песчаная смесь, вмещающая модель станции, собственным весом оказывает давление на конструкцию, а вышележащие четвертичные грунты заменяются равномерно распределенной нагрузкой от домкратов. В стенде моделируется типовой участок конструкции станции длиной 8 метров вдоль оси.

Стабилометр и образец грунта во время испытания

Для моделирования конструкции используется смесь песка и слюды на гипсовой основе. Характеристики смеси определяются по методике стандартных испытаний для гипса. При моделировании будут определены напряжения, возникающие в грунтовом массиве, нагрузки, воспринимаемые конструкцией станции, и перемещения конструкций. Для этого будут установлены плоские датчики давления и датчики перемещения. Информация, получаемая с датчиков, будет сниматься и собираться автоматизировано. Перемещения конструкции и грунтового массива будут отслеживаться с применением тахеометрической съемки по точкам, находящимся у передней прозрачной стенки стенда.
При создании модели активную поддержку лаборатории моделирования тоннелей оказывают СМУ № 11 и СМУ № 9.

Библиографический список:

  1. Голицынский Д.М., Свитин В.В., Соколов М.Ю., Иванес Т.В. Основы научных исследований. СПб.: ПГУПС. 1995, 64с.
  2. Лиманов Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л.: ЛИИЖТ, 1957, 239с.
  3. Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Васильев Ю.И., Шклярский М.Ф., Юревич Г.Г. Моделирование проявлений горного давления. Л.: «Недра». 1968, 279с.
  4. Комплексная программа совершенствования технологий сооружения и постоянных конструкций Петербургского метрополитена. СПб, 2013, 6с.
  5. Фролов Ю.С., Коньков А.Н., Ларионов А.А. Решение задач гео-механики методом физического моделирования при строитель-стве метрополитена в Санкт-Петербурге. «Промышленное и гражданское строительство» №9, 2013. с.79-81.
  6. Фролов Ю.С., Иванес Т.В. Механика подземных сооружений. СПб:. ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2014, 125с.

Скачать презентацию

 

Дополнительная информация

  • Категория: Технологии
Отправить комментарий

Защитный код
Обновить