Определение усилий обделок транспортных тоннелей на заданные нагрузки по гипотезе общих деформаций методами численного моделирования

Определение усилий в обделках транспортных тоннелей – одна из ключевых задач проектировщиков. Существует несколько методов решения этой задачи, в статье рассмотрены следующие: метод строительной механики, аналитические методы механики сплошной среды и методы численного мо делирования. Эти методы прописаны в действующих нормативных документах и применяются проектировщиками для расчета обделок транспортных тоннелей.

Автор предлагает смешанный метод, который объединяет элементы методов строительной механики и механики сплошной среды. Этот подход позволяет получать эпюры внутренних усилий, аналогичные рассчитанным методом строительной механики и совпадающие с ними как качественно, так и количественно. Особенность смешанного метода заключается в использовании данных из обоих подходов. Для связи обоих методов коэффициент упругого отпора грунта пересчитывается в модуль деформации грунта, который, в отличие от первого, можно определить лабораторным путем. Проверка смешанного метода проводилась на двух тоннельных обделках – кругового и подковообразного очертаний.

Результаты сравнивались с данными, полученными методом строительной механики и методом механики сплошной среды с помощью численного метода конечных элементов в программном комплексе Midas GTS NX. В статье приведено качественное и количественное сравнение результатов трех методов расчета.

В заключение предложены рекомендации по использованию смешанного метода в проектировании транспортных тоннелей. Этот подход можно применять как альтернативу для проверки результатов, полученных методом строительной механики, на заданные нагрузки. Например, смешанный метод будет полезен при научно-техническом сопровождении проектной документации как альтернативный метод расчета.

1. СП 120.13330.2022. Метрополитены : утверждены приказом Министерства строительства и жилищно коммунального хозяйства Российской Федерации от 27 декабря 2022 г. № 1131/пр : введены в действие с 28 января 2023 г. Москва : Минстрой России, 2022. 302 с.

2. СП 122.13330.2023. Тоннели железнодорожные и автодорожные : утверждены приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 20 октября 2023 г. № 760/пр : введены в действие с 21 ноября 2023 г. Москва : Минстрой России, 2023. 101 с.

3. СП 248.1325800.2023. Сооружения подземные. Правила проектирования : утверждены приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 9 января 2024 г. № 2/пр : введены в действие с 10 февраля 2024 г. Москва : Российский институт стандартизации, 2024. 63 с.

4. Архангельский М. М., Джинчарадзе Д. И., Курисько А. С. Расчет тоннельных обделок. Москва : Трансжелдориздат, 1960. 344 с.

5. Даушвили А. П. Расчет тоннельных обделок в матричной форме. Москва : Транспорт, 1972. 120 с.

6. Компаниец С. А., Поправко А. К., Богородецкий А. А. Проектирование тоннелей. Москва : Транспорт, 1973. 320 с.

7. Орлов С. А. Методы статического расчета сборных железобетонных обделок тоннелей. Москва : Гос стройиздат, 1961. 136 с.

8. Каган А. А. Расчетные показатели физико-механических свойств грунтов. Назначение, методы определения. Ленинград : Стройиздат, 1973. 144 с.

9. Казанов Л. Е., Кузнецов А. О. Границы применимости формулы Б. Г. Галеркина для определения удельного коэффициента упругого отпора при расчете подземных сооружений методами строительной механики // Интеллектуальный потенциал Сибири : 30-я Региональная научная студенческая конференция : материалы конференции : в 4 частях, Новосибирск, 23–27 мая 2022 г. Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2022. Ч. 3. С. 279–282.

10. Мишанов А. А. Об определении коэффициента удельного упругого отпора в задачах геотехнического проектирования // Наука и молодежь XXI века : материалы регионального форума, Новосибирск, 18–28 ноября 2024 г. : в 2 частях. Новосибирск : Сибирский государственный университет путей сообщения, 2025. С. 20–25.

11. ГОСТ 12248.3–2020. Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия : введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 октября 2020 г. № 823-ст с 1 июня 2021 г. Москва : Стандартинформ, 2020. 27 с.

12. ГОСТ 12248.4–2020. Грунты. Определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия : введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 октября 2020 г. № 824-ст с 1 июня 2021 г. Москва : Стандартинформ, 2020. 15 с.

13. Carranza-Torres C., Fairhurst C. Application of the Convergence-Confinement Method of Tunnel Design to Rock Masses That Satisfy the Hoek-Brown Failure Criterion // Tunnelling and Underground Space Technology. 2000. Vol. 15, No. 2. P. 187–213.