Статья посвящена анализу подходов к моделированию напряженно-деформированного состояния блочного горного массива в окрестности одиночной горной выработки и в зоне влияния породной консоли при разработке апатит-нефелиновых месторождений Хибин. Произведен анализ существующих в международной инженерной практике представлений о тектонических нарушениях как о геомеханическом элементе и опыта прогнозирования напряженно-деформированного состояния блочного горного массива. На основании анализа выполнена постановка базовых задач моделирования и приведены его основные результаты. Выработаны методологические рекомендации по решению аналогичных задач.
Целью работы является разработка метода прогноза осадок земной поверхности при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях мегаполисов. Предложены и обоснованы экспериментально-аналитический и численный методы прогноза осадок земной поверхности при строительстве тоннелей механизированными проходческими комплексами с пригрузом забоя. В качестве исходного условия для определения осадок экспериментально-аналитическим методом принят баланс объема оседания поверхности и объема дополнительно извлекаемого грунта из забоя тоннеля по сравнению с его величиной по проекту. Выполнено сопоставление результатов расчета с результатами натурных наблюдений за осадками земной поверхности при строительстве тоннелей механизированными проходческими комплексами с пригрузом забоя в различных странах. Прогноз с применением численных методов выполнен в пространственной (3D) постановке с использованием модели упругопластического тела. Установлено соответствие результатов прогноза с натурными данными и с результатами аналитических подходов. Методы прогноза могут быть использованы при геотехническом обосновании проектов строительства тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях.
Исследовано пространственное распределение напряжений при взаимодействии различно расположенных выработок с учетом последовательности их строительства. Для решения задачи использован метод конечных элементов, получены коэффициенты концентрации и закономерности распределения напряжений в системе «обделка – массив». Выявлено взаимное влияние выработок комплекса при их поэтапном строительстве в соответствии с технологией.
Работа посвящена вопросам реализации численного эксперимента на примере элемента податливости обделки тоннеля. Разработана численная модель элемента податливости обделки тоннеля. Получены характеристики поведения податливого элемента с различными геометрическими параметрами. Представлен характер деформирования податливого элемента обделки.
Приведено обоснование метода прогноза напряженно-деформированного состояния элементов временной крепи тоннелей, находящихся в зоне взаимного влияния, основанного на решении пространственной геомеханической задачи. Решение задачи выполнено с учетом технологии строительства тоннелей. Приведен анализ полученных результатов численного моделирования. На основании выполненного анализа намечены основные пути решения задач подобного класса.
Приведена интеллектуальная технология проектирования конструкции пилонной станции метрополитена, сооружаемой по малоосадочной технологии, в которой учитываются основные этапы ввода элементов конструкций в работу. В качестве исходной принята схема взаимодействия системы «обделка – грунтовый массив». Расчет напряженного состояния конструкций выполнен методом конечных элементов.
Приводится анализ упрочняющего эффекта в призабойной зоне при проведении тоннелей с применением пригруза забоя тоннелепроходческими механизированными комплексами. Методом конечных элементов получен ряд графических зависимостей, отражающих процессы развития смещений; предложена оптимальная величина пригруза забоя по заданным предельно допустимым осадкам земной поверхности. Установлено влияние основных прочностных показателей теории прочности Кулона –Мора на устойчивость забоя тоннеля и необходимую величину пригруза.
Представлено обоснование временной крепи, применяемой при проходке новых выработок, строительство которых предусматривается типовыми проектами реконструкции старых железнодорожных тоннелей. Методом конечных элементов выполнен анализ изменения напряженно-деформированного состояния вмещающего тоннельный комплекс массива в период проходки новых выработок. На основании выполненного анализа сделан ряд выводов, позволяющих изыскать возможности уменьшения толщины постоянных обделок новых выработок тоннельного комплекса: нового тоннеля и транспортно-дренажной штольни.
Проведен анализ упрочняющего эффекта от применения анкерного крепления, используемого при проходке транспортных тоннелей в условиях Северного Кавказа. Методом конечных элементов определено изменение напряженно-деформированного состояния породного массива, ослабленного выработкой кругового очертания. На основании выполненного моделирования построен ряд графических зависимостей, описывающих изменение размеров зон предельного состояния в зависимости от прочностных и деформационных свойств горных пород, слагающих массив. По результатам работы намечено направление дальнейших исследований.
