Дисертація присвячена розробці наукової ідеї керування напружено-деформованим станом вертикальної виробки, представленої в роботі шахтним стовбуром метрополітену. Керування концептуально розуміється як можливість прогнозування зміни напружень і деформацій системи «тимчасове кріплення – оправа – оточуючий масив» при зміні видів кріплення. Актуальність досліджень в цій області обумовлена потребою наукового обґрунтування параметрів вертикальних виробок (шахтних стовбурів) при збільшенні обсягів підземного будівництва, зокрема метрополітенів в містах Дніпрі та Києві.
Процес керування напружено-деформованого стану вертикальної виробки реалізується шляхом узагальнення результатів чисельного аналізу різних станів в процесі заморожування ґрунтів або створення огородження з буросічних паль та їх подальшої екстраполяції на різні варіанти роботи вертикальної виробки. Основою керування є закономірності напружено-деформованого стану конструкції шахтного стовбуру, а їх пошук є метою дисертаційної роботи.
Для її досягнення в дисертаційній роботі проведено аналіз стану досліджень, розглянуто специфіку будівництва метрополітенів в Україні та особливості аналітичного, експериментального та чисельного підходів до пошуку закономірностей напружень та деформацій вертикальних виробок.
На основі результатів критичного аналізу обрано чисельний підхід як такий, що найбільш адекватний для пошуку закономірностей напружено-деформованого стану. Створено скінченно-елементні моделі шахтних стовбурів, що споруджуються під час будівництва Дніпровського та Київського метрополітенів, кожна з яких дозволила варіювати види оправи (залізобетонні блоки, тюбінги з сірого чавуну та тюбінги з модифікованого сірого чавуну), діаметр буросічних паль та властивості ґрунту при різних температурах.
На основі створених скінченно-елементних моделей проведено чисельний аналіз шахтного стовбуру, закріпленого буросічними палями із варіацією їх діаметру. За результатами аналізу вперше отримано закономірності переміщень та силових факторів із високим рівнем апроксимації (R2=0,992…0,999), які є поліномами другого порядку, окрім закономірності згинальних моментів по осі Х, що є лінійною. Ці закономірності характеризують наукову новизну дисертаційної роботи.
В ході геодезичного моніторингу під час будівництва вертикальних виробок Дніпровського метрополітену були виміряні горизонтальні та вертикальні деформації оправи стовбура № 16-біс, значення яких досягали 1…2 мм. Порівняння цих даних свідчить про співпадіння із горизонтальними деформаціями, отриманими в ході чисельного аналізу стовбура № 16-біс, в якому деформації складають 1…2 мм, із максимальним значенням 2,57 мм в області 7-9 залізобетонних поясів оправи шахтного стовбуру.
За допомогою створених скінченно-елементних моделей вперше отримано закономірності компонент напруженого стану від модуля пружності замороженого ґрунту та модуля пружності оправи шахтного стовбуру, що є поліномами другого ступеня із високим рівнем апроксимації (R2=0,964…0,999). Отримані закономірності складають наукову новизну дисертаційної роботи. Побудовано просторові поверхні, які, при рішенні прямої або зворотної задач, дозволяють керувати напружено-деформованим станом оправи вертикальної виробки, що складає практичне значення дисертаційної роботи.
В ході чисельного аналізу отримано закономірності напруженого стану вертикальної виробки при порушенні технології заморожування ґрунту, які свідчать, що процеси нерівномірного заморожування або розморожування збільшують напруження в оправі в 1,1…1,5 рази, тому їх слід враховувати при проєктуванні вертикальних виробок.
