Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2014, № 11 (спецвып.)

Нгуен Куанг Хюи

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ
ТЕХНОЛОГИЙ
СТРОИТЕЛЬСТВА
МИКРОТОННЕЛЕЙ
НА НЕСУЩУЮ
СПОСОБНОСТЬ
КОНСТРУКЦИИ КРЕПИ
БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННОГО
ТОННЕЛЯ

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Н 37 

622.261; 622.831 
Н 37 
 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.13. 
 
 
 
 
 
 
Нгуен Куанг Хюи 

Геомеханическая оценка влияния технологий строительства

микротоннелей на несущую способность конструкции крепи 
близкорасположенного тоннеля: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельная статья (специальный выпуск). — 2014. — № 11. — 14 с.— М.: издательство «Горная книга» 
ISSN 0236-1493 

Предложен подход к определению напряженного состояния и оценке зоны влияния при сооружении выработки с использованием технологии прокола на обделку кругового тоннеля и окружающего массива пород вблизи него. В основу разработанного метода положено аналитическое решение соответствующей плоской задачи теории упругости. 
Ключевые слова: строительство тоннелей, микротоннелирование, 
напряженно-деформированное состояние пород, обделка выработки. 
 

УДК 622.261; 622.831

©  Нгуен Куанг Хюи, 2014 
©  Издательство «Горная книга», 2014 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2014 

 
 

УДК 622.261; 622.831 
© Нгуен Куанг Хюи, 2014 
 
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА  
МИКРОТОННЕЛЕЙ МЕТОДОМ ПРОКОЛА  
НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ  
МАССИВА ГРУНТА И КОНСТРУКЦИИ  
КРЕПИ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ТОННЕЛЯ 
 
Предложен подход к определению напряженного состояния и оценке зоны влияния при сооружении выработки с использованием технологии прокола на обделку кругового тоннеля и окружающего массива пород вблизи него. В основу разработанного метода положено аналитическое решение соответствующей 
плоской задачи теории упругости. 
Ключевые слова: строительство тоннелей, микротоннелирование, напряженно- деформированное состояние пород, обделка выработки. 
 
Для прокладки труб малых диаметров широко применяется 
способ прокола. При этом способе с помощью домкратов нетронутый массив грунта прокладывают трубой малого диаметра. 
Прокладка труб проколом может осуществляться в любых 
мягких грунтах. Наличие гравия и глинистых и песчаных грунтах 
не является препятствием для применения метода прокола. 
При вдавливании конусообразного агрегата в грунт происходит его уплотнение. Под действием внешних сил, возникающих в 
результате внедрения тела в грунт, расстояния между частицами 
грунта уменьшаются и он становится более плотным. В этом случае при вдавливании трубы, грунт в нее поступает до тех пор пока усилие передвижения в трубе не будет равно критической силе 
давления на грунт, при которой процесс сжатия грунта в пределах структурной прочности 
заканчивается и начинается 
процесс сдвигов его частиц. Впереди трубы образуется уплотненное конусообразное грунтовое тело 
(рис. 1). 

 
Рис. 1. Схема образования зоны влияния 

В процессе проходки 
выработок способом уплотнения массива (прокол) 
в нем возникает дополнительное напряжение, способное вызвать повреждение находящихся в зоне 
проходки выработки подземных сооружений и деформацию поверхности земли или находящихся над 
проходкой надземных сооружений (рис.2). С высшей перечисленной причиной, наша задача является актуальной и необходимо определить размер зоны 
влияния (структурно-упругих деформаций) чтобы обеспечить 
безопасность конструкции крепи существующих подземных сооружений (коммуникационные тоннели) вблизи трубопроводов 
проходимых технологией прокола. 
При прокалывании грунта на контуре скважины возникает 
радиальное давление, приводящее к изменению напряженного 
состояния массива вокруг скважины и, следовательно, напряженного состояния обделок расположенных рядом подземных сооружений. Приблизительно оценить величину радиального давления на стенки скважины, создаваемого внедрением наконечника в грунтовый массив можно, используя схему, представленную 
на рис. 3. 
При оценке величины 
радиального давления будем использовать два следующих предположения: 
1) усилие, создаваемое 
домкратами, компенсируется только лобовым сопротивлением наконечника; 
2) трение на конической 
поверхности 
наконечника 
отсутствует. 

 
Рис. 3 Схема, используемая для оценки величины радиального давления: а — горизонтальные силы, действующие на наконечник; б — давление на коническую поверхность наконечника 

 
Рис. 2. Зона влияния на инженерные коммуникации и сооружения 
 

Рис. 4. График изменения напорного усилия F при статическом проколе грунта трубами в песчаных 
(сплошные линии) и глинистых
(штриховые линии) грунтах 

Погрешность, связанная с введением указанных предположений, идет в запас несущей способности обделки существующего тоннеля. Предположим, что горизонтальное давление равномерно распределено по конической поверхности наконечника, 
тогда величина этого давления определяется формулой: 

1

cos

h
F
p
rl
β
=
π
 
(1) 

1

где
горизонтальное давление,
усилие вдавливания домк
рата,
 угол заострения наконечника, 
 радиус трубы,
 длина 

наконечника.

hp
F

r
l

−
−

β−
−
−
 

В предположение отсутствия трения по конической поверхности лобовому давлению должно соответствовать нормальное 
давление pn. Проекция нормального давления на вертикаль является радиальным давлением pr, для определения которого может 
быть использована формула 

1

cos .
tg
tg

h
r
p
F
p
rl

β
=
=
β
π
β                (2) 

Поскольку диаметр наконечника превышает диаметр основной части трубопровода, упругие 
напряжения, возникающие в массиве при внедрении наконечника, 
исчезают при его прохождении 
через рассматриваемое сечение. 
Таким образом, радиальное давление, обусловленное внедрением 
наконечника в грунт, и определяемое формулой (2) будет существовать лишь на небольшом участке трассы, длина которого равна 
длине наконечника. 
На рис. 4 приведен график 
для определения необходимого 
напорного усилия при проколе 
труб разных диаметров на длину 
до 60 м в песчаных и глинистых 
грунтах. 

Зная величину F, мы 
можем определить значение внутреннего давления, 
и тогда позволяет использовать для определения напряженного состояния массива и обделки существующего тоннеля при проходке 
новой 
выработки 
технологией прокола, расчетная схема которой представлена на рис. 5. 
При расчете принимались следующие исходные 
данные: обделка тоннеля изготовлена из бетона, деформационные 
характеристиками которого характеризуются значениями модуля деформации E1 = 20000 МПа и коэффициента Пуассона ν1 = 0,2; массив 
грунта представлен суглинками с соответствующими усредненными 
значениями 
деформационных характеристик E0 = 30 
МПа, ν0 = 0,35 и коэффициентом 
бокового 
давления 
λ=0.8. 
С помощью алгоритмического 
языка 
FORTRAN 
PWS, имеющем развитый 
аппарат, для операций с комплексными числами, получили следующие результаты: 
На рис. 6 показано расчетные эпюры до момента 
проходки новой выработок 
технологией прокола. 
На рис. 7 приведены 
аналогичные результаты расчета рассмотренной выше 
подземной конструкции, но 
с учетом влияния новой вы
 
Рис. 5. Расчетная схема для определения 
дополнительных напряжений, вызванных 
сооружения трубопровода методом прокола 

 
Рис. 6. Расчетные эпюры безразмерных 
нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем (
(
) /
*
in
H
θ
σ
γ
α ) и на
ружном (
(
) /
*
ex
H
θ
σ
γ
α
) контурах попереч
ного сечения обделки тоннеля 

работки. При этом принималось, что нормальное 
давление, обусловленное 
внедрением рабочего инструмента при проколе, 
составляет p = 2,2γHα*. 
Вследствие 
отсутствия 
симметрии 
каждая 
из 
эпюр дана на полном контуре поперечного сечения 
обделки. 
Как следует из рис. 7 
выработка, проводимая методом прокола в непосредственной близости от существующего 
тоннеля, 
может оказывать существенное влияние на напряженное состояние его обделки, которое невозможно 
оценить однозначно.  
Так, в рассмотренном случае на части 
внутреннего 
контура 
подземной конструкции, 
обращенной 
к 
вновь 
проводимой выработке и 
на противоположной ее 
стороне, напряжения несколько снижаются. В то же время в других частях внутреннего контура обделки наблюдается некоторый рост напряжений в 
обделке. На внешнем же контуре напряжения, наоборот, в части, обращенной к новой выработке и на противоположной стороне, увеличиваются, а в других частях — уменьшаются. 

Вывод 
В заключении можно отметить, что при проходке выработок методом прокола существенно влияет на напряженно-деформационное 

 
а 

 
б 

Рис. 7. Расчетные эпюры безразмерных 
нормальных тангенциальных напряжений 
на внутреннем (а) и наружном (б) контурах 
поперечного сечения обделки тоннеля 
 

состояние массива и на конструкцию крепи вблизи этой выработки. 
Приведенный метод можно использовать для оценки зоны влияния и 
тогда сможем определить безопасное расстояние для проходки новой 
микротоннели от существенного тоннеля. 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: учебник для вузов. – 2е изд., перераб. — М.: Недра. — 1994. — 382 с. 
2. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление/ Исследование горного давления. – М.: Госгортехиздат, 1960 – С. 343 – 374. 
3. Фотиева Н.Н., Козлов А.Н. Расчет крепи параллельных выработок в 
сейсмических районах. – М.: Недра, 1992. –231 с. 
4. Шахтное и подземное строительство. Т.2 – М.: изд-во академики горных наук, 2001, 538 с. 
 

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ 

Нгуен Куанг Хюи — аспирант, Горный институт НИТУ МИСиС,  
quanghuy170687@gmail.com. 
 
 

 
MATHEMATICAL MODELING OF THE INFLUENCE OF CONSTRUCTION  
TECHNOLOGY OF MICRO-TUNNELS METHOD OF PUNCTURE ON THE  
STRESS STATE OF THE ARRAY OF THE SOIL AND CONSTRUCTION THE  
EXISTING TUNNEL LINING 
Nguyen Quang Huy, Post-graduate of sub-faculty underground construction structures and 
mines, Moscow mining institute NITU MISiS, quanghuy170687@gmail.com. 
 
 
An approach to the prediction of stress state and assessing the strength of a circular tunnel lining and the surrounding rock mass under construction near the production used by the micro-tunneling technology. The basis of this method is necessary analytical solution of the corresponding plane problem of elasticity theory. 
Key words: tunnel construction, microtunneling, stress strain state of rocks lining tunnel. 

REFERENCES 
 
1. Bulychev N.S. Mehanika podzemnyh sooruzhenij (Mechanics of underground structures: 
a textbook for wu-call): uchebnik dlja vuzov.  2-e izd., pererab. Moscow, Nedra, 1994, 382 р. 
2. Rodin I.V. Snimaemaja nagruzka i gornoe davlenie (Removable load and confining pressure)/ Issledovanie gornogo davlenija. Moscow, Gosgortehizdat, 1960, рр. 343–374. 
3. Fotieva N.N., Kozlov A.N. Raschet krepi parallel'nyh vyrabotok v sejsmicheskih rajonah 
(Calculation lining parallel expression botok in seismic regions). Moscow, Nedra, 1992, 231 р. 
4. Shahtnoe i podzemnoe stroitel'stvo. T.2, Moscow, izd-vo akademiki gor-nyh nauk, 2001, 
538 р. 
 

УДК 622.261; 622.831 
© Нгуен Куанг Хюи, 2014 
 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ  
ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ НОРМАЛЬНЫХ  
ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ  
НА ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ОБДЕЛКИ  
СУЩЕСТВУЮЩЕГО ТОННЕЛЯ С УЧЕТОМ  
СООРУЖЕНИЯ НОВОЙ ВЫРАБОТКИ  
ОТ ОТНОСИТЕЛЬНОГО РАССТОЯНИЯ  

0,0
/ R
ρ = ρ
МЕЖДУ ЦЕНТРАМИ НОВОЙ  
ВЫРАБОТКИ И СУЩЕСТВУЮЩЕГО  
ТОННЕЛЯ 
 
Предложен подход к исследованию напряженного состояния и оценке 
зоны влияния при сооружении выработки с использованием технологии 
микротоннелирования на обделку кругового тоннеля и окружающего 
массива пород вблизи него в зависимости от расстояния между центрами выработок.   
Ключевые слова: строительство тоннелей, микротоннелирование, напряженно- деформированное состояние пород, обделка выработки. 
 
 
На напряженное состояние обделки существующего тоннеля, 
формирующегося при проходке новой выработки способом микротоннелирования, оказывает влияние значительное количество 
различных факторов,  основным из которых являются относительное расстояние между центрами выработок 
0,0
/ R
ρ
; С целью 

иллюстрации влияния расстояния между осями новой выработки 
и существующего тоннеля рассматривается случай, когда обе выработки располагаются на одной глубине (x=0). Результаты многовариантных расчетов, выполненных с использованием общих 
исходных данных, приведенных в работе [1], при изменении параметра у приведены в табл. 1. 
Графическая иллюстрация приведенных зависимостей показана на рисунке. 

Таблица 1 
Результаты многовариантных расчетов, выполненных с целью исследования влияния параметра 
0,0
/ R
ρ = ρ
на экстремальные нормальные танген
циальные напряжения в обделке  

Безразмерные экстремальные нормальные тангенциальные напряжения  
(
)
экстр
θ
σ,y
=
ρ
 

м 
ρсжимающие 
растягивающие 

1.5 
1.2 
-12.562 
1.829 

2 
1.6 
-11.794 
1.401 

2.5 
2 
-11.256 
1.163 

3 
2.4 
-10.945 
1.050 

3.5 
2.8 
-10.850 
1.007 

 
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в 
обделке существующего тоннеля с учетом новой выработки от расстояния 

между центрами  выработок ρ  
 
Как видно из рисунка, при увеличении относительного расстояния ρ между осями новой выработки и существующего тоннеля  максимальные сжимающие и растягивающие нормальные 
тангенциальные напряжения 
/
*
экс
H
θ
σ
α
γ
уменьшаются. При 

этом в рассмотренном диапазоне изменения ρ снижение сжимающих напряжений не превышает 16%, а растягивающих - более 40%. 
При этом характер зависимостей как сжимающих, так и растяги