Сравнительный анализ методик оценки сейсмостойкости конструкций крепи подземного сооружения

Проведено сравнение методик оценки напряжений на контуре обделки тоннеля, возникающих в результате действий сейсмической нагрузки. Проведено сопоставление результатов расчетов напряжений по аналитической методике, представленной в СП 268.1325800.2016 «Транспортные сооружения в сейсмических районах. Правила проектирования», и выполненных на базе моделирования по методу конечных элементов в программном комплексе Abaqus CAE. Проведено сравнение результатов действия сейсмической нагрузки на крепь горных выработок при различных методах решения данной задачи. Аналитические расчеты, выполненные в программном комплексе MathCAD, сопоставлены с результатами моделирования в программном комплексе Abaqus CAE для аналогичных горногеомеханических моделей. Расчеты, выполненные в MathCAD, отражают квазистатическую постановку, а компьютерное моделирование проведено в квазистатической и динамической постановках. Аналитические расчеты и компьютерное моделирование позволили получить напряжения в характерных точках на контуре обделки горной выработки и сопоставить их величины. Сравнение выполнено для эквивалентных условий землетрясения (9 баллов по шкале Рихтера). Рассмотрены возможные области применения разработанной горногеомеханической модели для анализа воздействия сейсмической нагрузки на крепь горной выработки в динамической постановке, проанализированы ее преимущества перед аналитическим расчетом.

Тхориков А. И., Тулин П. К., Третенков И. В. Сравнительный анализ методик оценки сейсмостойкости конструкций крепи подземного сооружения // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 9-1. – С. 270–287. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_91_0_270.

Тхориков Андрей Игоревич¹ — канд. техн. наук, e-mail: Tkhorikov_AI@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-0404-5690,
Тулин Павел Кириллович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Tulin_PK@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-0820-4759,
Третенков Игорь Викторович¹ — канд. геол.-минерал. наук, доцент, e-mail: Tretenkov_IV@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-1104-8080,
¹ Санкт-Петербургский горный университет.

Тхориков А.И., e-mail: Tkhorikov_AI@pers.spmi.ru.

1. Дорман И. Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей. — М.: ТИМР, 2000. — 307 с.

2. Амусин Б. З., Булычев Н. С., Оловянный А. Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. — М.: Недра, 1974. — 320 с.

3. Linzer L. M., Hildyard M. W., Wesseloo J. Complexities of underground mining seismic sources // Philosophical Transactions of The Royal Society. A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2021, vol. 379, no. 2196. DOI: 10.1098/rsta.2020.0134.

4. Jing-Qi H., Xiu-Li D., Mi Zhao, Xu Zhao Impact of incident angles of earthquake shear (S) waves on 3-D non-linear seismic responses of long lined tunnels // Engineering Geology. 2017, vol. 222, pp. 168—185. DOI: 10.1016/j.enggeo.2017.03.017.

5. Фотиева Н. Н., Саммаль А. С., Булычев Н. С. Расчет тоннельных обделок переменной толщины на сейсмические воздействия с учетом влияния земной поверхности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004. — № 12. — С. 192—195.

6. Третенков И. В., Лукьянов В. Г. Устойчивость горных выработок. — Томск: Издательский Дом Томского гос. ун-та, 2015. — 132 с.

7. Литвинский Г. Г., Смекалин Е. С., Кладко В. И. Методика оценки и критерии устойчивости горных выработок // Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ». — 2020. — № 19. — С. 5—14.

8. Мкртычев О. В., Джинчвелашвили Г. А. Проблемы учета нелинейностей в теории сейсмостойкости (теории и заблуждения). — М.: МГСУ, 2014. — 192 с.

9. Verbilo P., Karasev M., Belyakov N., Iovlev G. Experimental and numerical research of jointed rock mass anisotropy in a three-dimensional stress field // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornikthis. 2022, vol. 37, no. 2, pp. 109—122. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.10.

10. Вербило П. Э., Вильнер М. А. Изучение анизотропии прочности и масштабного эффекта трещиноватого массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 47—59. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_47.

11. Вербило П. Э., Иовлев Г. А., Петров Н. Е., Павленко Г. Д. Применение технологий информационного моделирования для маркшейдерского обеспечения ведения горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 60—79. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_60.

12. Trushko V., Protosenya А., Verbilo P. Predicting strength of pillars in fractured rock mass during development of apatite-nephelinic ores // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018, vol. 13, no. 8, pp. 2864—2872.

13. Morozov K. V., Shabarov A. N., Kuranov A. D., Belyakov N. A., Zuev B. Y., Vlasenko D. S., Bakhtin E. V. Geodynamic monitoring and its maintenance using modeling by numerical and similar materials methods // E3S Web of Conferences. 2019, vol. 129, no. 5, article 01012. DOI: 10.1051/e3sconf/201912901012.

14. Protosenya A. G., Lebedev M. O., Karasev M. A., Belyakov N. A. Geomechanics of low-subsidence construction during the development of underground space in large cities and megalopolises // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2019, no. 5, vol. 9, pp. 1005—1014.

15. Господариков А. П., Зацепин М. А. Математическое моделирование прикладных задач механики горных пород и массивов // Записки Горного института. — 2014. — Т. 207. — С. 217—221.

16. Komolov V., Belikov A., Demenkov P. Research on load-bearing constructions behavior during pit excavation under «slurry wall» protection // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022, vol. 180, pp. 313—323. DOI: 10.1007/978-3-030-83917-8_29.

17. Карасев М. А., Тиен Тай Нгуен Метод прогноза напряженного состояния обделки подземных сооружений квазипрямоугольной и арочной форм // Записки Горного института. — 2022. — Т. 257. — С. 807—821. DOI: 10.31897/PMI.2022.17.

18. Карасев М. А., Сотников Р. О. Прогноз напряженного состояния набрызг-бетонной крепи при многократном сейсмическом воздействии // Записки Горного института. — 2021. — Т. 251. — С. 626—639. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.2

19. Mkrtychev O., Sidorov D., Bulushev S. Comparative analysis of results from experimental and numerical studies on concrete strength // MATEC Web of Conferences. 2017, vol. 117, article 00123. DOI: 10.1051/matecconf/201711700123.

20. Трушко О. В. Виды и конструкции сейсмостойких крепей, применяемых при разработке рудных месторождений // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2016. — № 1. — С. 120—130.

21. Nguen T. T., Karasev M. A. Numerical investigation of the horseshoe tunnels structural behavior // Indian Geotechnical Journal. 2022, no. 52, pp. 799—814.

22. Trushko O. V., Potemkin D. A., Popov M. G. Ensuring sustainability of mining workings in development of ore deposits in complex geological conditions // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018, vol. 7, no. 13, pp. 2594—2601.

23. Demenkov P. A., Goldobina L. A., Trushko O. V. Geotechnical barrier options with changed geometric parameters // International Journal of GEOMATE. 2020, vol. 19, no. 75, pp. 58—65.

24. Господариков А. П., Трофимов А. В., Киркин А. П. Оценка деформационных характеристик хрупких горных пород за пределом прочности в режиме одноосного сервогидравлического нагружения // Записки Горного института. — 2022. — Т. 256. — С. 539—548. DOI: 10.31897/PMI.2022.87.

25. Протосеня А. Г., Иовлев Г. А. Прогноз напряженно-деформируемого состояния в окрестности подземного сооружения в нелинейно-деформируемых грунтовых массивах // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2020. — № 2. — С. 215—228.

26. Protosenya A. G., Karasev M. A., Ockurov V. I. Introduction of the method of finitediscrete elements into the Abaqus/Explicit software complex for modeling deformation and fracture of rocks // Eastern European Journal of Enterprise Technologies. 2017, vol. 6, no. 7, pp. 11—18. DOI: 10.15587/1729-4061.2017.116692.

27. Карасев М. А., Петрушин В. В., Рысин А. И. Применение метода конечно-дискретных элементов для описания механики поведения соляных пород на макроструктурном уровне // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 48—66. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_48.

28. Karasev M. A., Nguen T. T., Do N. A., Dang V. K. Influence of tunnel shape on tunnel lining behaviour // Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Geotechnical Engineering. 2020, vol. 174, no. 4, pp. 355—371. DOI: 10.1680/jgeen.20.00057.

29. Karasev M. A., Nguen T. T., Vilner M. A. Study of the stress-strain state in the subrectangular tunnel // Lecture Notes in Civil Engineering. 2020, vol. 62, pp. 383—388.

30. Protosenya A. G., Karasev M. A., Verbilo P. E. The prediction of elastic-plastic state of the soil mass near the tunnel with taking into account its strength anisotropy // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2017, vol. 11, no. 8, pp. 682—694.

31. Беляков Н. А., Беликов А. А. Прогноз целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных руд // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 33—46. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_33.

32. Bagautdinov I. I., Kuranov A. D., Belyakov N. A., Streshnev A. A. The reasoning of mining methods parameters toward development of the apatite-nepheline ore deposits based on results of forecast of massif stress state // E3S Web of Conferences. 2018, no. 56, article 01019. DOI: 10.1051/e3sconf/20185601019.

33. Протосеня А. Г., Карасев М. А., Беляков Н. А. Упруго-пластическая задача для выработок различных форм поперечных сечений при условии предельного равновесия Кулона // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 1. — С. 71—81.

34. Деменков П. А., Беляков Н. А., Очкуров В. И. Прогноз безопасной зоны влияния строительства полузаглубленных подземных сооружений на окружающую среду // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2017. — № 4. — С. 311—324.

35. Иовлев Г. А., Протосеня А. Г. Прогноз напряженно-деформируемого состояния в окрестности подземного сооружения в нелинейно-деформируемых грунтовых массивах // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2020. — № 2. — С. 215—228.