В статье рассматривается устройство глубоких выемок под фундаменты по соседству с двумя функционирующими тоннелями метрополитена, проложенными в алевритистой глине в городе Нанкин. Чтобы исследовать влияние земляных работ на существующие тоннели, было выполнено численное моделирование, что позволило спрогнозировать возможную деформацию тоннелей до начала строительства. Затем, опираясь на полученные численные результаты, была предложена целевая программа мониторинга, и в течение четырех лет проводился комплексный полевой контроль для мониторинга глубоких выемок грунта и отклика тоннелей.
При мониторинге фиксировались следующие параметры: боковой прогиб стены в грунте, осадка свода тоннеля, горизонтальное смещение линии пят, сходимость диаметра и ширина раскрытия секционного соединения. По результатам мониторинга была проанализирована эволюция деформации тоннелей, а также была оценена безопасность тоннельных конструкций. Затем была предложена и принята методика цементации микронарушений деформированного тоннеля, а также оценена эффективность таких корректирующих действий.
Результаты показывают, что в развитии осадки свода тоннеля, горизонтального перемещения линии пят и сходимости диаметра можно выделить фазы медленного, быстрого и стабильного поступательного увеличения, которые соответствуют этапам предварительных, основных и завершающих земляных работ глубокой выемки. Исходя из принципа простой балки, диапазон осадки тоннеля может быть принят в два раза большим, чем расстояние между наблюдаемым сечением с максимальной осадкой и сечением с нулевой осадкой. В процессе цементации микронарушений деформированный тоннель проходит этап коррекции и этап упругого подъема, а дополнительная деформация, вызванная соседними земляными работами, поддается корректировке путем цементации микронарушений.
Перевод, адаптация и редактирование выполнены руководителем технического отдела MIDAS IT Россия и СНГ Константином Скоробогатько.
Быстрое развитие метро в последние годы стало важным шагом к снижению транспортных заторов в густонаселенных городах [20,22]. В то же время, чтобы облегчить перемещение и повысить эффективность использования подземных пространств, строится все больше и больше высотных зданий, а их фундаменты располагаются в непосредственной близости от существующих линий метрополитена. Земляные работы для устройства таких фундаментов неизбежно изменяют первоначальные поля напряжений и смещение грунта основания и таким образом влияют на существующие конструкции тоннелей метрополитена [3]. Если деформация или смещения, вызванные земляными работами, превышают допустимые пределы конструкции тоннеля, то тоннель может быть серьезно поврежден [38].
Чтобы лучше понять влияние земляных работ на существующие тоннели, исследователями были проведены некоторые теоретические расчеты (см. Источники [19,20, 38 45, 46, 47], численное моделирование [7; 14; 17; 33, 35, 36, 37; 34, 53] и испытания моделей [15, 22, 27, 28, 34]. Тем не менее, вышеперечисленные исследователи в основном сосредотачивались на тех случаях, когда выемка проводилась непосредственно над существующим тоннелем, т.е. изучалось влияние вертикальной разгрузки на тоннели. Более того, взаимодействие между выемкой и тоннелем в основном рассматривалось как задача плоского деформированного состояния, что в значительной степени отличается от реальных условий и не может верно отразить механизм взаимодействия между ними. Пространственное воздействие от выемки не удалось полноценно рассмотреть из-за небольшого объема изученных выемок. Напротив, не многие исследователи сосредотачивались на тех случаях, когда выемка выполнялась параллельно существующему тоннелю, т.е. изучали влияние боковой разгрузки на тоннели. Чэн и соавторы [1] описывали реакцию тоннелей Тайбэйского метрополитена (TRTS) на близлежащие пятиуровневые выемки под фундаменты.
В своде тоннеля наблюдались трещины, а бетонная плита на обратном своде оказалась отделенной от задних сегментов. В результате поврежденным тоннелям потребовался ремонт путем монтажа стальных сегментов и цементации обратного заполнения [2]. Ши и соавторы [32] исследовали взаимодействие между выемкой под треугольный фундамент и соседним тоннелем с проходкой открытым способом при помощи полевого мониторинга, но при этом акцент был сделан на производительность земляных работ, а для расчета оказались доступны только ограниченные данные относительно реакции тоннеля. Чэн и соавторы [4] также изучили влияние крупных земляных работ на существующие тоннели метрополитена, и их исследование было сосредоточено на нескольких методах численного моделирования, направленных на снижение воздействия от выемки грунта. Кроме того, используемыми данными о деформации тоннеля стали только результаты заключительного этапа, и эти данные не могли отразить весь процесс производства земляных работ на тоннель.
В этой статье рассмотрены глубокие выемки грунта под фундаменты, прилегающие к двум существующим тоннелям метрополитена, проложенным в алевритистой глине. Чтобы понять механизм влияния земляных работ на конструкцию тоннеля, перед строительством было проведено численное моделирование, что позволило прогнозировать возможную деформацию тоннелей, а затем применительно к полученным численным результатам была предложена целевая схема мониторинга и проведен комплексный полевой контроль в течение четырех лет. При мониторинге фиксировались следующие параметры: боковой прогиб стены в грунте, осадка свода тоннеля, боковое смещене линии пят, сходимость диаметра и ширина раскрытия секционного соединения. На основании полученных результатов было проанализировано развитие деформации тоннеля, а также была проведена оценка безопасности его конструкции. Затем была принята методика цементации микронарушений деформированного тоннеля.
Надеемся, что информация, представленная в настоящем исследовании, окажется полезной для аналогичных проектов.
Рис. 1. План расположения выемки грунта под фундамент (по данным Google).
Рис. 2. Поперечное сечение тоннелей и выемки под фундамент.
Таблица 1. Разбивка этапов производства работ
Рис. 3. Поперечное сечение тоннеля, сооружаемого щитовым способом
* Пята свода — поверхность свода, покоящаяся на поддерживающей его опоре. Линия пят — линия, соединяющая две пяты свода в одном поперечном сечении.
Участок строительства расположен в пойме реки Янцзы. Мягкий грунт недавнего образования в этой области чрезвычайно слаб и неравномерно распределен, что отрицательно влияет на инженерно-технические работы [13]. Для получения профиля и параметров грунта до начала земляных работ была проведена серия геотехнических изысканий. Программы исследований состояли из отбора проб из скважины и связанных с ними полевых и лабораторных испытаний. Полевые испытания включают в себя стандартное испытание грунта на пенетрацию, динамическое зондирование грунта, статическое зондирование грунта, испытание плоским пенетрометром, пробную откачку и т.д. Лабораторные испытания включают в себя испытание основных физических свойств, компрессионные испытания, испытания на прямой сдвиг, испытания на трехосный срез и т.д. На рисунке 4 представлено сечение грунта и некоторые типовые физико-механические параметры. Из сечения видно, что грунт до глубины 80 м сверху вниз состоит из различных осадочных отложений (слой 1-1), однородных осадочных отложений (слой 1-2), алевритистой глины (2-1), илистой алевритистой глины (2-2), илистой глины (2-3), алевритистого мелкозернистого песка (2-4), алевритистого мелкозернистого песка (2-5), песка средней крупности (4), сильновыветрелой заиленной алеврито-глинистой породы (5-1) и средневыветрелой заиленной алеврито-глинистой породы (5-2). Илистая алевритистая глина, в которой залегают тоннели, имеет содержание воды 38,4%, коэффициент пористости 1,07, индекс текучести 1,13 и компрессионный модуль 3,23 МПа, что указывает на то, что данный слой грунта находится в текучепластичном состоянии и имеет низкую прочность и высокую сжимаемость. Более того, показатель чувствительности 2,88 указывает на то, что данный слой грунта обладает ярко выраженной прочностной характеристикой, и прочность грунта может значительно снизиться после того, как он будет нарушен строительными работами по соседству.
Рис. 4. Типовые физико-механические параметры грунта
Примечание: w = водосодержание, e — коэффициент пористости, IL = индекс текучести, Es = компрессионный модуль, st= чувствительность, N = количество ударов по стандартному испытанию грунта на пенетрацию (SPT).
Согласно разрезу грунта, полученному в результате инженерно-геологических изысканий, грунтовые воды на глубине проведения исследований содержат фреатические воды и артезианские напорные воды. Фреатические воды находятся главным образом в поверхностных осадочных отложениях (слой 1-2) и глине недавнего образования (слой 2-1, 2-2, 2-3) под ними, а уровень фреатических вод располагается на глубине – 1,5 м ниже поверхности грунта. Артезианская напорная вода находится главным образом в алевритовом мелкозернистом песке (слой 2-4, 2-5) и песке средней крупности (слой 4), которые характеризуются высокой проницаемостью.
Рис. 5. Трехмерная конечно-элементная модель для рассматриваемого случая (а) Элементы для слоев грунта (б) Элементы для тоннелей и ограждающих конструкций
В том числе осадка для них через 1 год составляет около 50% от общей осадки, в то время как осадка через 5 лет – около 80% от общих показателей осадки. Гэ и соавторы [11] проанализировали продолжительную осадку обратного свода тоннеля, сооруженного щитовым способом, относительно поверхности грунта в слое мягкой глины в городе Шанхай. Выяснилось, что относительная осадка, как правило, достигает стабилизации после 8 лет эксплуатации тоннеля, а осадка, вызванная вибрацией поездов, после 1, 2, 3 и 4 лет работы составляет около 45%, 69%, 82% и 90% от окончательных показателей общей осадки соответственно. Ди и соавторы [6] анализировали наблюдаемую длительную осадку тоннеля с проходкой открытым способом на 10-й линии Метрополитена Нанкина в течение 5,75 лет после установки железнодорожных путей. В течение первых двух лет осадка тоннеля происходила быстро, затем интенсивность осадки постепенно снизилась. Осадка спустя 2 года составляла примерно 75% от окончательных показателей суммарной осадки. Тоннель 2-й линии Метрополитена Нанкина, сооруженный щитовым способом и исследуемый в статье, был проложен в слое илистой алевритистой глины и открыт для эксплуатации в мае 2010 года. Согласно приведенным выше исследованиям, можно заключить, что осадка практически достигла своих окончательных показателей до начала основных земляных работ под фундамент (апрель 2014 г.). Более того, внимание исследования было акцентировано на отклик существующего тоннеля на близрасположенные земляные работы под фундамент. Таким образом, в этом численном моделировании не учитывается влияние циклической нагрузки, вызванной поездом.
В таблицах 1 и 3 представлены исходные параметры материалов грунтов и подпорных сооружений выемок под фундамент соответственно. Для слоев грунта использовалась модель упрочняющегося грунта (Hardening Soil) [30], а линейно-упругая модель использовалась для материала подпорных сооружений. Некоторые исследования [8, 41] показали, что модель упрочняющегося грунта может учитывать характеристики упрочнения, указывать на разницу между нагружением и разгрузкой, а определенная жесткость грунта зависит от изменения напряжений во времени и пути нагружения. Используя эти данные, результатами моделирования можно одновременно представить обоснованные параметры деформации стены в грунте и деформации грунта за стеной, что подходит для численного моделирования глубоких выемок в неустойчивой среде. Параметры модели упрочняющегося грунта в основном были получены из данных полевых и лабораторных испытаний, а параметры подпорных сооружений выемок грунта под фундамент были получены в основном из проектных чертежей. Следует отметить, что принятые здесь параметры являются лишь предварительными, а действительные исходные параметры необходимо определить после корректировки в соответствии с результатами натурного мониторинга.
Моделирование процесса возведения таких этапов как установка стены в грунте, осушение, выемка грунта и устройство горизонтальных распорок, перечисленных в Таблице 1, было реализовано путем активации и деактивации сетки элементов и применения граничных условий и условий нагружения. Основной процесс моделирования включал в себя следующее: во-первых, приложение силы тяжести для получения поля начальных напряжений на участке. Во-вторых, были установлены стена в грунте и решетчатые колонны. Затем, после осушения до 0,5 м ниже каждой выемки забоя, грунт удалялся, и возводились внутренние горизонтальные распорки. Этот цикл продолжался до тех пор, пока грунт не достигал проектной отметки дна котлована. После первого и второго этапа полученные перемещения и деформации были обнулены, чтобы устранить влияние силы тяжести и возведения подпорных сооружений, а учитывалось только влияние последующего осушения и земляных работ.
Таблица 3.
Параметры линейно-упругой модели состояния для конструкций
Рис. 6. Горизонтальные и вертикальные перемещения тоннелей и подпорных конструкций (а) Изополя горизонтальных перемещений (б) Изополя вертикальных перемещений.
Таблица 2.
Параметры модели упрочняющегося грунта
Рис. 7. Нарушения в конструкции тоннеля перед началом возведения фундамента (а) тоннельное просачивание (б) тоннельная трещина
Рис. 8. План расположения наблюдаемых участков в выемке грунта под фундамент и тоннелях.
Показатели фиксируются через каждые 500 мм, так как зонд поднимается от нижней к верхней части трубки.
Для получения информации о функционировании конструкций тоннелей в режиме реального времени и улучшения понимания деформаций тоннелей, вызванных выемкой под фундамент, был проведен долгосрочный полевой мониторинг. Мониторинг продлился более четырех лет (с октября 2011 года по январь 2016 г.) [31, 29]. Поскольку восходящий тоннель располагался ближе нисходящего к выемке и подвергся большему воздействию, были исследованы 29 наблюдаемых участков Y1 ~ Y29 и 19 участков Z1 ~ Z19 вдоль продольного направления в восходящем и нисходящем тоннелях соответственно, как показано на рисунке 8. К элементам мониторинга каждого участка относится осадка свода, боковое перемещение линии пят, сходимость диаметра и ширина раскрытия секционного соединения. В работе Ге [12] представлена схема расположения приборов тоннеля 2-й линии метро Шанхая, сооруженного щитовым способом. Линия подверглась воздействию, вызванному близрасположенной выемкой грунта, в которой маркеры мониторинга осадки были закреплены на нижних опорных блоках, маркеры мониторинга поперечных перемещений были установлены близко к обратным сводам, а четыре маркера мониторинга сходимости были закреплены на опорном кольце по кольцевому направлению. В данном исследовании учтены результаты предыдущего численного моделирования, согласно которым максимальная осадка и поперечные перемещения сечения тоннеля возникают на своде и линии пят соответственно. Таким образом, в данном исследовании учитываются особенности, отличающиеся от примеров из работы Ге [12]. Маркеры осадки были закреплены на своде, маркеры поперечных перемещений были закреплены на левой и правой линиях пят, а в процессе измерения сходимости диаметра были использованы маркеры мониторинга поперечных перемещений без дополнительных маркеров, как показано на рисунке 3. Расчет осадки свода осуществлялся с использованием электронного уровня Trimble с точностью 0,3 мм/км. Поперечные перемещения и сходимость диаметра вычислены с помощью высокоточного тахеометра Leica с угловой точностью 0,5 дюйма и линейной точностью 0,6 мм + 1 ppm (суб-миллиметр). Ширина раскрытия секционных соединений была отслежена штангенциркулем с точностью ± 0,002 мм. Как правило, погрешность измерений тоннеля, мониторинг которого рассматривается в этой статье, оказывалась в пределах 1 мм, из чего следует, что результаты мониторинга могут точно отражать деформацию тоннеля, вызванную близрасположенными выемками.
Во второй части статьи вы узнаете о том, как был осуществлён комплексный полевой контроль для мониторинга глубоких выемок грунта и применена технология цементации микронарушений.
Данное исследование было поддержано Программой инноваций в области исследований и практики для аспирантов провинции Цзянсу (№ KYCX17_0151), Научно-исследовательским фондом Высшей школы Юго-Восточного университета (№ YBJJ1791) и Китайским стипендиальным советом (№ 201706090315). Выражаем особую благодарность за финансовую поддержку, предоставленную данными источниками.
Дополнительные данные к этой статье размещены на сайте https:// doi.org/10.1016/j.tust.2019.103147.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку