Численное моделирование воздействия сейсмических волн на породный массив, вмещающий подземные сооружения

В настоящее время для решения транспортной проблемы в столице Социалистической Республики Вьетнам городе Ханой полностью спроектирована и построена система тоннелей метрополитена. Некоторые объекты инженерной инфраструктуры метрополитена расположены под землей на глубине до 20 м. Для обеспечения их надежной и безопасной работы необходимо учесть сейсмические волны землетрясений и оценить их влияние на подземные сооружения. Территория современного Вьетнама занимает северную и северо-восточную часть сейсмически активной Зондской плиты (плита Сунда). Большую опасность представляют тектонические разломы, проходящие по всей территории Вьетнама и вызывающие возмущения земной коры большой интенсивности. В середине восьмидесятых годов прошлого века в пределах Ханойской агломерации было зафиксировано множество землетрясений магнитудой 5÷8 баллов по шкале Рихтера, повредившие некоторые здания и сооружения на поверхности. Сопоставление натурных замеров и результатов численного моделирования воздействия сейсмических волн землетрясений на подземные объекты метрополитена Ханоя является важной и актуальной задачей. Решение такой геодинамической задачи с определенной степенью достоверности получаемых результатов базируется на разработанном и апробированном (модификация известного метода) численно-аналитическом методе расчета, который позволяет также учесть влияние стыков между частями обделок тоннелей метрополитена. Результаты математического моделирования позволили установить закономерности изменения основных параметров напряженного состояния обделок тоннелей Ханойского метрополитена и обосновать выбор как самого материала для обделок тоннелей, так и необходимых параметров обделки с учетом воздействия на нее сейсмических волн землетрясений. При ведении буровзрывных работ на горных предприятиях возникают сейсмовзрывные волны, которые могут привести к негативным последствиям, в частности, к деформациям и нарушению целостности массива горных пород, вмещающего горные выработки различного назначения. Так, например, открытая разработка Хибинского месторождения апатит-нефелиновых руд связана с проведением буровзрывных работ и выделением большого количества энергии, обуславливающей образование значительных деформаций и напряжений, от которых напрямую зависят безопасность и устойчивость горной выработки. Поэтому возникает необходимость разработки и дальнейшего усовершенствования универсальных методов численного математического моделирования и создания на их основе вычислительных комплексов. В настоящей работе приведена разработанная математическая модель воздействия сейсмовзрывной волны от проведения буровзрывных работ на неоднородный породный массив, вмещающий горизонтальную выработку. Реализация метода расщепления С. К. Годунова по разработанному авторами численному алгоритму позволила составить вычислительную программу, при помощи которой удалось получить результаты численного моделирования указанных геодинамических процессов, что позволило обеспечить безопасность и сохранность подземных сооружений при ведении буровзрывных работ.

Господариков А. П., Зацепин М. А., Выходцев Я. Н., Нгуен Чи Тхань Численное моделирование воздействия сейсмических волн на породный массив, вмещающий подземные сооружения // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 7. – С. 116–130. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_116.

Исследование выполнено за счет субсидии на выполнение государственного задания в сфере научной деятельности на 2021 год №FSRW-2020-0014.

Господариков Александр Петрович¹ — д-р техн. наук, зав. кафедрой, e-mail: Gospodarikov_AP@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0003-1018-6841,
Зацепин Михаил Александрович¹ — канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: Zatsepin_MA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-6304-8349,
Выходцев Ярослав Николаевич — канд. техн. наук, старший инженер-программист, T-Systems Multimedia Solutions, e-mail: 999fff@gmail.com,
Нгуен Чи Тхань — канд. техн. наук, доцент, Институт морской геологии и геофизики Ханойского университета горного дела и геологии, e-mail: nguyenthanh.xdctn47@gmail.com,
¹ Санкт-Петербургский горный университет.

Зацепин М.А., e-mail: Zatsepin_MA@pers.spmi.ru.

1. Господариков А. П., Нгуен Чи Тхань О некоторых подходах определения напряженного состояния обделок тоннелей метрополитена Ханоя с учетом влияния сейсмических волн землетрясений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 6. — С. 244—252.

2. Protosenya A. G., Verbilo P. E., Karasev M. A. Research of the mechanical characteristics’ anisotropy of apatite-nepheline ores block rock mass // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018, no. 11, pp. 1962—1972.

3. Трушко В. Л., Протосеня А. Г. Перспективы развития геомеханики в условиях нового технологического уклада // Записки Горного института. — 2019. — Т. 236. — С. 162— 166. DOI: 10.31897/PMI.2019.2.162.

4. Зуев Б. Ю. Методология моделирования нелинейных геомеханических процессов в блочных и слоистых горных массивах на моделях из эквивалентных материалов // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 542—552. DOI:10.31897/PMI.2021.4.7.

5. Cai W., Dou L., Si G., Hu Y. Fault-induced coal burst mechanism under mining-induced static and dynamic stresses // Engineering. 2021, vol. 7, no. 5, pp. 687—700. DOI: 10.1016/j. eng.2020.03.017.

6. Zuev B. Yu., Zubov V. P., Fedorov A. S. Application prospects for models of equivalent materials in studies of geomechanical processes in underground mining of solid minerals // Eurasian Mining. 2019, no. 1, pp. 8—12. DOI: 10.17580/em.2019.01.02.

7. Глушихин Ф. П., Кузнецов Г. Н., Шклярский М. Ф., Павлов В. Н., Золотников М. С. Моделирование в геомеханике. — М.: Недра, 1991. — 240 с.

8. Господариков А. П., Выходцев Я. Н., Зацепин М. А. Математическое моделирование воздействия сейсмовзрывных волн на горный массив, включающий выработку // Записки Горного института. — 2017. — Т. 226. — С. 405—411. DOI: 10.25515/PMI.2017.4.405.

9. Карасев М. А., Сотников Р. О. Прогноз напряженного состояния набрызг-бетонной крепи при многократном сейсмическом воздействии // Записки Горного института. — 2021. — Т. 251. — С. 626—638. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.2.

10. Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я., Крайко А. Н., Прокопов Г. Н. Численное решение многомерных задач газовой динамики. — М.: Наука, 1976. — 400 с.

11. Bo Yan, Xinwu Zeng, Yuan Li Subsection forward modeling method of blasting stress wave underground // Mathematical Problems in Engineering. 2015, vol. 2015, article 678468. DOI: 10.1155/2015/678468.

12. Валландер С. В. Лекции по гидроаэромеханике. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2005. — 304 с.

13. Литвиненко В. С., Двойников М. В. Методика определения параметров режима бурения наклонно прямолинейных участков скважины винтовыми забойными двигателями // Записки Горного института. — 2020. — Т. 241. — С. 105—112. DOI: 10.31897/ PMI.2020.1.105.

14. Nguyen Tai Tien, Do N. A., Karasev M. A., Kien D. V., Dias D. Influence of tunnel shape on tunnel lining behavior // Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Geotechnical Engineering. 2021, vol. 174, no. 4, pp. 355–371. DOI: 10.1680/jgeen.20.00057.

15. Эткин М. Б., Азаркович А. Е. Взрывные работы в энергетическом и промышленном строительстве: Научно-практическое руководство. — М.: Изд-во МГГУ, 2004. — 317 с.

16. Du D., Dias D., Do N. A. Lining performance optimization of sub-rectangular tunnels using the Hyperstatic Reaction Method // Computers and Geotechnics. 2020, vol. 117, article 103279.

17. Oreste P. P., Spagnoli G., Ramos C. A. L., Sebille L. The hyperstatic reaction method for the analysis of the spraryed concrete linings behavior in tunneling // Geotechnical and Geological Engineering. 2018, vol. 36, pp. 2143–2169.

18. Thanh Nguyen Chi, Gospodarikov A. P. Hyperstatic reaction method for calculations of tunnels with horseshoe-shaped cross-section under the impact of earthquakes // Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2020, vol. 19, pp. 179–188. DOI: 10.1007/s11803-0200555-0.

19. Burns S. A., Arora J. S., Balling R., Cheng F. Y., Estes A. C., Foley C. M. Recent advances in optimal structural design / Structural Optimization: Recent Developments and Applications. USA, 2002, 384 p.

20. Naggar H. E., Hinchberger S. D., Hesham M., Naggar E. I. Simplified analysis of seismic in-plane stresses in composite and jointed tunnel linings // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2008, vol. 28, no. 12, pp. 1063—1077. DOI: 10.1016/j.soildyn.2007.12.001.

21. Нгуен Тай Тиен, Карасев М. А. Расчет оптимальных геометрических параметров тоннеля квазипрямоугольного поперечного очертания по силовому фактору // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 6. — С. 59–71. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2021_6_0_59.

22. Nguyen Tai Tien, Do N. A., Karasev M. A., Kien D. V., Dias D. Influence of tunnel shape on tunnel lining behavior // ICE Proceedings Geotechnical Engineering. 2021, vol. 174, no. 4, pp. 355—371. DOI: 10.1680/jgeen.20.00057.

23. Wang J. Seismic design of tunnels. Monograph 7, Parsons Brinckerhoff Quade and Douglas Inc. New York, 1993. 159 p.

24. Penzien J., Wu C. Stresses in linings of bored tunnels // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 1998, vol. 27, no. 3, pp. 283—300. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9845(199803) 27:3<283::AID-EQE732>3.0.CO;2-T.

25. He S., Chen T., Vennes I., He X., Song D., Chen J., Mitri H. Dynamic modelling of seismic wave propagation due to a remote seismic source: a case study // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2020, vol. 53, pp. 5177—5201. DOI: 10.1007/s00603-020-02217-w.