Предлагаем вниманию читателей перевод статьи «Осадки грунтов при строительстве систем из трех тоннелей с различной последовательностью проходки», написанной сотрудниками факультета гражданского строительства Гентского университета (Бельгия) и опубликованной в 2019 году в журнале Advances in Civil Engineering («Достижения в гражданском строительстве»), выпускаемом научным издательством Hindawi. Эта статья находится в открытом доступе ) и распространяется по лицензии Creative Commons, которая разрешает ее неограниченное использование, распространение и воспроизведение при условии правильного цитирования оригинальной работы.
Объединение сечений двух или трех тоннелей, последовательно пройденных щитовым способом на небольших расстояниях друг от друга, в единое открытое поперечное сечение позволяет создать больше полезного внутритоннельного пространства, сохраняя при этом довольно компактную общую площадь сооружения. Однако такое объединение пройденных тоннельных выработок приводит к усложнению проектирования и строительства. Так, существующие методики оценки осадок охватывают только сооружение одиночного тоннеля или двух параллельных тоннелей. Представленное исследование направлено на расширение существующих методик для «многотоннельной геометрии». С помощью моделирования методом конечных элементов анализировалось поведение систем тоннелей при различных конфигурациях, расстояниях между тоннелями и последовательностях строительства. Для исследования относительных осадок при проходке тоннелей щитовым способом использовались комплексная геомеханическая модель упрочняющегося грунта при малых деформациях (HSS) и метод учета давления при нагнетании тампонажного раствора за обделку. Был сделан вывод, что оптимальной из рассмотренных в статье является тройная система при последовательности строительства тоннелей «верхний – левый – правый». По результатам моделирования это привело к уменьшению осадок на 36,9% и на 22,4% по сравнению соответственно с тройной системой при последовательности проходки «левый – правый – верхний» и с эквивалентной двойной системой в горизонтальной конфигурации при промежутке между тоннелями, равном трем их диаметрам.
Статья переведена при поддержке партнера журнала «ГеоИнфо» — компании «НИП-Информатика».
Насим Ахсан (Naseem Ahsan)
Докторант факультета гражданского строительства Гентского университета, Бельгия, ahsan.naseem@ugent.be
Шотт Кен (Schotte Ken)
Постдокторант факультета гражданского строительства Гентского университета, Бельгия
Де По Барт (De Pauw Bart)
Приглашенный профессор факультета гражданского строительства Гентского университета, Бельгия
Де Бакер Ханс (De Backer Hans)
Профессор факультета гражданского строительства Гентского университета, Бельгия
Из-за более высоких требований к трафику в городских районах многочисленные тоннели строятся ближе друг к другу в различных конфигурациях. При этом чаще всего предусматриваются транспортные системы из двух близко расположенных параллельных тоннелей, размещенных на одном горизонтальном уровне. В настоящее время также планируется создание тройных систем, в которых два тоннеля строятся рядом на одном горизонтальном уровне и третий сооружается над ними (либо на средней линии, либо под некоторым углом к ней). Но такая конфигурация приводит к чрезмерным осадкам в грунтовом массиве, которые могут вызвать повреждения соседних наземных и подземных сооружений. К факторам, способствующим этим осадкам, относятся: расстояние между тоннелями, их диаметр, порядок строительства и т.д.
Смещения земной поверхности и соответствующие им осадки в результате сооружения одиночных и сдвоенных тоннелей были предметом обширных исследований. Вышеупомянутые параметры были подробно изучены с помощью полевых измерений [1–6], лабораторных испытаний моделей [7–11] и численного моделирования [12–16].
Например, Пек [5] провел детальный анализ на основе полевых наблюдений и предложил метод определения осадок, вызванных строительством тоннелей, который позже был модифицирован для установления суммарных осадок при сооружении сдвоенных тоннелей.
Герцог [17] выполнил обширные испытания и предложил уравнение для определения максимальной осадки поверхности в результате строительства тоннеля.
Чапман и его коллеги [18] выделили следующие причины возникновения осадок, вызванных строительством тоннелей (и соответствующие типы осадок):
Мэйр [9] испытал на центрифуге модели тоннелей в глинах, чтобы определить осадки поверхности земли.
Также были проведены обширные исследования по двойным системам. Например, Адденбрук и Поттс [19] выполнили моделирование методом конечных элементов (МКЭ) для двух параллельных тоннелей в жестких глинах, рассмотрели консолидационные эффекты и изучили взаимодействия между этими тоннелями. Последнее является важным фактором, вносящим вклад в развитие осадок поверхности земли. Однако взаимодействие между тоннелями становится пренебрежимо малым, если разделяющее их расстояние превышает их диаметр в 7 раз.
Рис. 1. Предлагаемая конфигурация тоннеля, полученного в результате объединения трех тоннелей, независимо пройденных щитовым способом (размеры приведены в сантиметрах) [24]
Вместо создания двух или трех независимых тоннелей для размещения нескольких рельсовых путей и зон аварийной эвакуации тоннели объединяются в единое целое. Объединив сечения нескольких тоннелей, последовательно пройденных щитовым способом на очень небольшом расстоянии друг от друга, в одно открытое поперечное сечение, можно увеличить полезное пространство системы, сохранив при этом довольно компактную общую площадь сооружения. Это может быть ключевым преимуществом в условиях мегаполисов и больших городов, где рациональное использование доступного пространства под землей почти так же важно, как и на поверхности [24].
Однако такой подход приводит к усложнению процедуры строительства. Помимо технических трудностей, связанных с объединением независимых тоннелей, при их создании в городской среде основное внимание уделяется осадкам грунта, которые зависят от последовательности строительства и от расстояния между тоннелями. Но описанные в доступной литературе решения в основном ограничиваются расчетом мульд оседания для одиночного тоннеля и для систем из двух тоннелей.
Конфигурация тройной системы тоннелей была смоделирована в программном комплексе PLAXIS 2D, который обычно используется для геотехнического анализа, поскольку предоставляет широкий выбор комплексных геомеханических моделей грунта (параметры которых задаются по данным изысканий), в том числе таких как:
Кроме того, PLAXIS 2D может учитывать нелинейное взаимодействие тоннеля и окружающих грунтов, упругопластическое поведение, а также сложность строительных операций.
Чтобы определить оптимальную конфигурацию тройных систем тоннелей, на основе доступной литературы и данных по второму Хейненордскому (Heinenoord) тоннелю была выбрана комплексная геомеханическая модель, которая хорошо аппроксимирует результаты полевых измерений. Затем с помощью моделирования определили оптимальную конфигурацию и оптимальную величину расстояния между сдвоенными тоннелями. После такого выбора смоделировали третий тоннель вместе с системой из двух тоннелей. Наконец, на основании полученных значений оседания поверхности были сделаны выводы.
Подробная информация о системах тоннелей, смоделированных при этом исследовании, представлена в виде блок-схемы на рисунке 2.
Рис. 2. Блок-схема, показывающая последовательность выбора и сравнения конфигураций смоделированных систем тоннелей
Диас и Безуйен [25] выполнили подробный анализ для одиночного тоннеля диаметром 8 м, находящегося на глубине 30 м от поверхности земли, как показано на рисунке 3, а. Они сравнили модели: линейно-упругую (Linear Elastic – LE), Мора – Кулона (MC), Мора – Кулона с учетом дилатансии (MC.D), упрочняющегося грунта (Hardening Soil – HS) и упрочняющегося грунта при малых деформациях (HS small, HSS). На основании результатов своего исследования эти авторы сделали вывод, что модель MC завышает осадки, а наиболее подходящей является модель HSS, которая дает наиболее реалистичные величины осадок.
Мёллер и Вермеер [26] сравнили полевые данные для тоннеля диаметром 8,3 м, находящегося на глубине 16 м, с результатами использования моделей HS и HSS и заключили, что разница между осадками, полученными с помощью модели HSS и измеренными в полевых условиях, не превышает 20%, как показано на рисунке 3, б.
Рис. 3. Сравнение осадок, полученных с помощью конститутивных (определяющих) моделей [25] и при полевых измерениях [26]
Для структурного моделирования метод учета давления при нагнетании тампонажного раствора за обделку (grout pressure method) более реалистичен по сравнению с методом усадки (contraction method) и методом учета снимаемых напряжений (stress reduction method), поскольку он моделирует непосредственно сам метод строительства, позволяет получить точную ширину мульды оседания и значения внутренних усилий в конструкции наряду со смещениями (при моделировании тоннеля методом усадки реалистичные усилия в обделке и перемещения одновременно получить невозможно; внутренние усилия в обделке получают для состояния без усадки. – Ред.) [26, 27]. Поэтому проходка трех тоннелей моделировалась при настоящем исследовании с помощью модели HSS в сочетании с методом учета давления при нагнетании тампонажного раствора за обделку. При этом рассматривался метод учета умеренного давления нагнетания (self-composed grout pressure method), включающий в себя шесть промежуточных стадий (таблица 1). Принятая модель способна моделировать все стадии строительства при проходке тоннелей с помощью ТПМК [24]. Давление в забое [28, 29] и давление при нагнетании за хвостовую оболочку щита [30–32] были тщательно выбраны на основе существующих публикаций.
Таблица 1. Стадии строительства, использованные при моделировании в программе PLAXIS 2D [24]
Рис. 4. Сравнение результатов моделирования в PLAXIS 2D с полевыми данными для Хейненордского тоннеля (а) и детальное представление вертикальных смещений в грунтовом массиве вокруг того же тоннеля в изолиниях (б)
Геологический разрез, использованный в настоящем исследовании, состоит из мощного слоя супеси (SC в соответствии с Единой системой классификации грунтов – USCS) с уровнем грунтовых вод (УГВ) на глубине 5 м от поверхности земли. Параметры грунта приведены в таблице 4.
Таблица 4. Параметры грунта на площадке строительства тоннелей по [24]
Рис. 5. Схема системы из двух тоннелей в горизонтальной конфигурации при промежутке между ними, равном 0,55D, где D – диаметр тоннелей (размеры приведены в сантиметрах) (а); мульды оседания (б) и вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях (в) для этой системы
Рис. 6. Схема системы из двух тоннелей в вертикальной конфигурации при промежутке между ними, равном 0,55D, где D – диаметр тоннелей (размеры приведены в сантиметрах) (а); мульды оседания для этой системы (б); вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для этой системы, если верхний тоннель построен первым (в) и если нижний тоннель построен первым (г)
Рис. 7. Схема системы из двух тоннелей в «скошенной» конфигурации при промежутке между ними, равном 0,55D, где D – диаметр тоннелей (размеры приведены в сантиметрах) (а); мульды оседания для этой системы (б); вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для этой системы, если верхний тоннель построен первым (в) и если нижний тоннель построен первым (г)
На рисунке 5, а показаны мульды оседания поверхности, а на рисунке 5, б детально представлены вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для системы из двух тоннелей, размещенных в горизонтальной конфигурации. Из рисунка 5, б видно, что величина промежутка между тоннелями, равная 0,55D (где D – диаметр тоннелей), приводит к максимальному оседанию грунта, а по мере увеличения этого расстояния осадки уменьшаются. Моделирование также показало, что при дальнейшем увеличении промежутка от 2D до 3D разница в осадках составляет всего 2,5%. Причина заключается в том, что при 0,55D имеется большая перекрывающаяся зона сдвига между тоннелями, которая сужается от минимальной до нулевой по мере увеличения расстояния от 0,55D до 3D. Следовательно, можно сделать вывод, что при промежутке между тоннелями, превышающем 2D, эффект взаимодействия между ними пренебрежимо мал.
Из рисунка 6, б видно, что при вертикальной конфигурации системы из двух тоннелей важную роль играет последовательность строительства. Если верхний тоннель будет построен раньше нижнего, то осадки уменьшатся на 2,7%. Вертикальные смещения грунта в изолиниях для этой системы при разной последовательности проходки детально представлены на рисунках 6, в и 6, г.
Если тоннели размещены в «скошенной» конфигурации (если линия, соединяющая центры тоннелей в поперечном сечении, проходит под углом 39 град. к горизонтали), то строительство верхнего тоннеля первым приводит к осадкам, которые на 1,25% меньше по сравнению со случаем проходки сначала нижнего тоннеля (рис. 7, б). Вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для этой системы при разной последовательности проходки детально представлены на рисунках 7, в, г.
В таблице 5 сопоставлены осадки для каждой из трех рассматриваемых конфигураций системы из двух тоннелей при величине промежутка между ними 0,55D. Из полученных результатов можно сделать вывод, что горизонтальная конфигурация приводит к осадкам, которые почти на 8,5% больше таковых при вертикальном и «скошенном» расположении тоннелей (последние две конфигурации дают более или менее одинаковые осадки).
Таблица 5. Максимальные осадки при разных конфигурациях и последовательностях строительства систем из двух тоннелей
Рис. 8. Конфигурация системы из трех тоннелей (размеры приведены в см) (а); мульды оседания (б) и вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях (в) при последовательности строительства тоннелей данной системы «верхний – левый – правый»
При этом были смоделированы случаи для трех различных последовательностей строительства: когда верхний тоннель был пройден либо первым, либо вторым, либо последним. Для каждого из этих случаев были получены изолинии и графики осадок, для которых также было выполнено сравнение с таковыми для эквивалентной системы из двух тоннелей в горизонтальной конфигурации (которая может рассматриваться в качестве альтернативы для размещения тех же четырех рельсовых путей). Рассмотрим это подробнее.
При таком подходе сначала строится верхний тоннель, потом левый, а затем правый. На рисунке 8, б показаны отдельные мульды оседания поверхности земли для каждого из этих тоннелей, а также суммарная мульда оседания, а на рисунке 8, в детально представлены осадки в грунтовом массиве в изолиниях. Из рисунка 8, б видно, что максимальная суммарная осадка грунта в результате строительства всех трех тоннелей составляет 75 мм.
При таком подходе верхний тоннель строится сразу после завершения проходки левого нижнего, а в конце следует строительство правого тоннеля. На рисунке 9, a показаны отдельные мульды оседания поверхности земли для каждого из тоннелей, а также суммарная мульда оседания, а на рисунке 9, б детально представлены вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях. Из рисунка 9, а видно, что максимальная кумулятивная осадка грунта в результате строительства верхнего тоннеля тройной системы вторым составляет 98,75 мм, что почти на 32% больше осадки в случае строительства верхнего тоннеля первым. Мульда оседания верхнего тоннеля для последовательности проходки «левый – верхний – правый» также показывает выпор грунта на величину около 1,3 мм.
Рис. 9. Мульды оседания при последовательности строительства тоннелей тройной системы «левый – верхний – правый» (а); вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для этой последовательности (б)
При таком подходе сначала сооружаются нижние тоннели, а в конце – верхний. На рисунке 10, a показаны отдельные мульды оседания для каждого из тоннелей, а также суммарная мульда оседания, а на рисунке 10, б детально представлены вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях. Из рисунка 10, а видно, что максимальная суммарная осадка при строительстве тройной системы тоннелей составляет 107 мм, что более чем на 8% и на 43% больше осадки в результате строительства верхнего тоннеля вторым и первым соответственно. Также можно заметить, что происходит выпор грунта примерно на 4,3 мм, что является существенной величиной и может вызвать проблемы для находящихся поблизости сооружений и фундаментов. Причина заключается в том, что после проходки нижних тоннелей в результате нагнетания цементного раствора окружающий грунт консолидируется, поэтому проходка верхнего тоннеля и создание его обделки вызовут на поверхности небольшой выпор грунта.
Рис. 10. Мульды оседания при последовательности строительства тоннелей тройной системы «левый – правый – верхний» (а); вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для этой последовательности (б)
Если вместо тройной системы тоннелей предусмотрена сдвоенная для размещения того же количества (четырех) рельсовых путей, потребуются тоннели большего размера. Их диаметр можно рассчитать по следующей формуле:
Рис. 11. Мульды оседания для эквивалентной системы из двух тоннелей при промежутке между ними, равном 3D (где D – диаметр тоннелей) (а); вертикальные смещения в грунтовом массиве в изолиниях для этой системы (б)
Мульды оседания для системы из трех тоннелей, представленные на рисунке 12, ясно показывают, что создание верхнего тоннеля последним приводит к самым большим осадкам, а также к выпору грунта. Последовательность строительства тоннелей «левый – верхний – правый» приводит к очень незначительному выпору грунта и при этом к почти таким же осадкам, как и для эквивалентной двойной системы в горизонтальной конфигурации. Последовательность «верхний – левый – правый» дает наименьшие осадки и почти полное отсутствие выпора. Строительство эквивалентной двойной системы в горизонтальной конфигурации (даже если промежуток между тоннелями равен 3D) приводит к осадкам, которые на 18,3% больше таковых для тройной системы при последовательности строительства «верхний – левый – правый» и почти идентичны осадкам для последовательности «левый – верхний – правый». Для меньших расстояний между тоннелями, которые часто предпочтительны или требуются в реальных ситуациях, эквивалентные двойные системы дадут осадки, еще больше отличающиеся от таковых для систем из трех тоннелей
(см. рис. 5, б).
Рис. 12. Сопоставление осадок тройной системы тоннелей при разных последовательностях строительства и эквивалентной двойной системы в горизонтальной конфигурации
В этой статье рассмотрен новый подход к строительству тоннелей с помощью двумерного численного моделирования в PLAXIS, которое предоставило детальное понимание схем деформации, возникающих в зависимости от различного размещения тоннелей в их двойных или тройных системах и от последовательности строительства. Для более точного определения деформаций исследование охватило все возможные этапы строительства тоннелей: проходку с помощью ТПМК, создание давления в забое, нагнетание тампонажного раствора за обделку и окончательное устройство обделки. Полученные результаты дали очень хорошую основу для сравнения поведения систем тоннелей в зависимости от схем их расположения и последовательности строительства. Однако понятно, что 2D-моделирование может охватывать только поперечные относительно оси тоннеля деформации. Хотя последние являются наиболее важными, для того чтобы лучше понять поведение систем тоннелей в продольном направлении, в будущем следует его изучить также с помощью 3D-моделирования, включая влияние равномерности и неравномерности зазора между проходческим щитом и грунтом, поскольку это не входило в объем данного исследования. Это позволит дополнительно уточнить полученные мульды оседания для различных сценариев.
Главная цель этой работы состояла в том, чтобы исследовать оптимальную последовательность строительства системы из трех тоннелей, которая приводит к наименьшим осадкам при удовлетворении требований по обеспечению очень интенсивного трафика.
Из полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1. Система из двух тоннелей в горизонтальной конфигурации (когда соединяющая их центры линия является горизонтальной) дает самые большие осадки по сравнению со всеми другими конфигурациями двойных систем.
2. Взаимодействие между тоннелями двойной системы в горизонтальной конфигурации, пройденными в супеси (SC в соответствии с системой классификации грунтов USCS), оказывает пренебрежимо малое влияние на осадки, если промежуток между тоннелями превышает 3D (где D – диаметр тоннелей).
3. Для системы из трех тоннелей очень важную роль в отношении влияния на осадки играет последовательность строительства. Чем раньше по отношению к остальным будет построен верхний тоннель, тем меньше будут осадки грунта.
4. Осадки для тройной системы тоннелей при последовательности строительства «верхний – левый – правый» примерно на 36,9% меньше, чем для последовательности «левый – правый – верхний», и на 22,4% меньше, чем для эквивалентной двойной системы с горизонтальной конфигурацией при промежутке между тоннелями, равном 3D.
Выполненное исследование позволило получить подробные сведения о схемах деформации рассмотренных систем при разном расположении тоннелей и разной последовательности их строительства. Но поскольку при этом использовался только 2D-анализ, рекомендуется также выполнить 3D-анализ, чтобы получить более хорошее и точное представление об общих деформациях, вызванных созданием таких систем тоннелей.
Доступность данных
Ничьи другие данные не использовались для поддержки этого исследования.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарность
Авторы хотели бы поблагодарить Стайна Ван Хоя (Stijn Van Hoye) за его вклад в настоящее исследование в рамках его дипломной работы магистра в Гентском университете.
Источник для перевода
Naseem A., Schotte K., De Pauw B., De Backer H. Ground settlements due to construction of triplet tunnels with different construction arrangements // Advances in Civil Engineering. Hindawi, 2019. Vol. 2019. Article ID 8637837. 18 p. URL: hindawi.com/journals/ace/2019/8637837/.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку