ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ ТОННЕЛЯ МЕТРОПОЛИТЕНА НА ОКРУЖАЮЩУЮ ГОРОДСКУЮ ЗАСТРОЙКУ

Исследование влияния щитовой проходки тоннеля метрополитена на окружающую городскую застройку

Знаменская Екатерина Антоновна

преподаватель кафедры «Механика грунтов и геотехника», ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»,

Geosts@yandex.ru.

Зерцалов Михаил Григорьевич

профессор кафедры «Механика грунтов и геотехника», ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», mzertsalov@yandex.ru

При сооружении тоннелей метрополитена в городских условиях в последние годы в основном используются механизированные щитовые комплексы (ТПМК). В процессе проходки грунт вмещающего массива интенсивно перемещается в направлении подземной выработки, что приводит к образованию мульды оседания земной поверхности, вследствие чего здания существующей застройки в зоне проходки тоннеля получают дополнительные осадки, которые могут привести их в аварийное состояние, а, в крайнем случае, и разрушить. Принимая это во внимание, при проектировании подземных объектов необходимо обязательно учитывать размеры зоны влияния вдоль проходки трассы тоннеля, которые в современной практике проектирования определяются построением кривой, ограничивающей воронку осадок в поперечном к продольной оси тоннеля сечении (мульды осадок). В статье исследуется это влияние с использованием численного моделирования в пространственной постановке. Рассматриваются условия города Москвы, где линии метро обычно прокладываются на глубине 15-30 м. Ключевые слова: щитовая проходка, тоннели метро, мульда оседания, призма обрушения, свайные фундаменты, одиночная свая, отрицательное трение.

Введение

При сооружении тоннелей метрополитена в городских условиях в последние годы в основном используются механизированные щитовые комплексы (ТПМК). В процессе проходки грунт вмещающего массива интенсивно перемещается в направлении подземной выработки, что приводит к образованию мульды оседания земной поверхности, вследствие чего здания существующей застройки в зоне проходки тоннеля получают дополнительные осадки, которые могут привести их в аварийное состояние, а, в крайнем случае, и разрушить.

Принимая это во внимание, при проектировании подземных объектов необходимо обязательно учитывать размеры зоны влияния вдоль проходки трассы тоннеля, которые в современной практике проектирования определяются построением кривой, ограничивающей воронку осадок в поперечном к продольной оси тоннеля сечении (мульды осадок). Решению этих вопросов посвящен ряд работ отечественных [4-5, 12] и зарубежных [1-3,6-11] исследователей.

В настоящее время мульда осадок строится с использованием как эмпирических зависимостей, полученных на основе натурных наблюдений, так и аналитических решений, полученных для условий «плоской» задачи. Указанные методы позволяют строить кривые осадок только в сечениях, совпадающих с плоскостью забоя тоннеля (плоскостью щита), однако, следует учитывать, что результаты, вычисляемые по эмпирическим зависимостям, учитывая, что они получены в различных инженерно-геологических условиях, имеют большой разброс.

В свою очередь, при использовании аналитических решений следует помнить, что, как показывает численное моделирование, результаты, вычисленные в условиях «плоской» и «объёмной» задач, могут отличаться в 1,5 - 2,0 раза. Кроме того, численное моделирование в условиях «объёмной» задачи показывает, что дополнительные осадки зданий, в момент прохождения мимо них щита, не являются максимальными, и, как показывают натурные исследования, достигают своего максимума в процессе стабилизации после схода щита со смонтированного кольца обделки. Такое увеличение осадки объясняется тем, что жёсткость смонтированного из сборных железобетонных элементов кольца обделки намного меньше жёсткости корпуса щита.

Изложенное выше позволяет заключить, что развитие исследований влияния механизированной щитовой проходки на фундаменты окружающей застройки требует продолжения, уделяя особое внимание решению данной проблемы в трёхмерной постановке. Следует также учитывать, что построение мульды осадок позволяет прогнозировать осадки и крены фундаментов мелкого заложения, и знание перемещений точек земной поверхности недостаточно для анализа работы свайных фундаментов. Вместе с тем, было показано, что на поведение одиночной сваи

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м м

сч сч о сч

оэ

о ш Ш X

<

т о х

X

значительное влияние оказывает призма обрушения, формирующаяся в процессе движения щита [1]. В зависимости от длины сваи, её положения относительно щита, а также от того, находится свая в пределах границы призмы обрушения, или пересекает эту границу, её поведение может существенно меняться.

Из баланса массы грунта следует, что объём воронки оседания равен объёму грунта - Уь, сместившемуся в сторону тоннеля при его проходке. В отечественной практике значение Уь определяется величиной перебора грунта, определяемым зазором между контуром выработки и наружным диаметром кольца обделки, который назначается исходя из конструкции щита, вида и характеристик грунта, а также опыта проектировщика. Вместе с тем, проведённые за рубежом исследования свидетельствуют о том, что формирование указанного объёма - Уь, называемого «потерянным» объёмом, гораздо сложнее и определяется следующими составляющими. Прежде всего, это объём грунта, разработанный в процессе проходки и поступающий в призабойную камеру - Уз. Часть этого объёма используется для создания пригруза - давления, прикладываемого к забою со стороны щита и обеспечивающего его нормальную работу. Оставшийся объём разработанного грунта удаляется из тоннеля. Кроме того, при проходке, диаметр рабочего органа щита увеличивают по сравнению с наружным диаметром корпуса. Указанное превышение определяет зазор, необходимый для уменьшения трения между корпусом щита и грунтовым массивом. Учитывая это, к объёму - Уз, добавляется объём грунта - заполняющего образовавшийся зазор. Одновременно, в хвостовой части щита, после его схода со смонтированного кольца обделки, происходит заполнение заобделочного пространства тампонажным раствором. Поскольку заобделочное пространство обычно никогда не заполняется полностью тампонажным раствором, имеющим в процессе твердения усадку, за тоннельной обделкой всегда образуются пустоты, заполняющиеся объёмом грунта - Ух, Таким образом, суммарный объём Уь определится простым суммированием указанных выше составляющих по формуле:

Уь = Ц + Кц + £ .

Поскольку «потерянный» объём Уь, определяет объём воронки мульды осадок земной поверхности, очень важно в процессе проходки тоннеля минимизировать его величину.

Наиболее обоснованная методика определения объёма «потерянного грунта» - Уь, основанная на анализе результатов натурных испытаний, аналитических решений и численного моделирования, дана в работе [3]. В рассматриваемых исследованиях при численном моделировании движения щита составляющие объёма Уь определялись по формулам, рекомендуемым в указанной работе, а суммарный «потерянный» объём Уь - по формуле (1). Формирование объёма «потерянного» грунта и его составляющих.

Все исследования, представленные в статье, выполнялись на основе совместного использования метода конечных элементов (МКЭ) и метода планирования эксперимента. Подобный способ был впервые предложен в работе [4], позволив анализировать взаимодействие сооружений с грунтовыми массивами и получать искомые зависимости в случаях, аналогичных рассмотренному в настоящей статье и показанному на рис 1, в которых другие как аналитические, так и экспериментальные методы неприменимы.

Потери на корпусе щита Потери хвостовой части щита

Потери в забое

Направление проходки

Щит

Обделка тоннеля

Рис. 1. Потери грунта при движении щита

Метод конечных элементов (МКЭ) - в настоящее время широко применяется в расчетах подземных сооружений и на сегодняшний день, используется при проектировании всех подземных сооружений, как на предварительной стадии проектирования, так и на окончательной стадии анализа взаимодействия проектируемого сооружения с грунтовым массивом. Расчеты МКЭ позволяют решать задачи, как в условиях плоской задачи, так и в трехмерной постановке.

Вместе с тем, МКЭ позволяет определить НДС системы «сооружение - грунтовый массив» только в каждом конкретном случае (при решении конкретной задачи), что очень усложняет, учитывая его трудоёмкость, отыскание обобщающих зависимостей, характеризующих поведение системы при произвольном изменении исходных расчётных данных.

В свою очередь, метод планирования эксперимента, позволяет назначить оптимальное количество расчётных опытов, статистическая обработка результатов которых даёт возможность отыскания интересующей исследователя зависимости в виде уравнения регрессии, связывающего искомую функцию (функцию отклика) с, определяющими её, независимыми факторами. Адекватность уравнения, в этом случае, будет зависеть, как от правильности выбора наиболее значимых факторов, так и от заданных пределов их варьирования. Очень важно при этом правильно выбрать степень аппроксимирующей функции.

На основе анализа полученных результатов предлагается метод построения кривых осадок земной поверхности (мульды осадок), как в поперечных, по отношению к трассе тоннеля, сечениях, так и вдоль направления движения щита. Все расчёты, как указывалось ранее, выполнялись с использованием МКЭ на основе метода планирования эксперимента. Расчётный фрагмент с конечно - элементной сеткой представлен на рис. 2.

.

Рис 2. Расчетный фрагмент конечно-элементной сетки

Численное моделирование выполнялось с использованием программного комплекса Z-SOIL РС, ориентированного на решение геотехнических задач.

В качестве независимых факторов, оказывающих наибольшее влияние на осадки земной поверхности, с учётом анализа литературных источников и опыта проектирования тоннелей метрополитена в г. Москва, были выбраны следующие факторы: Н - глубина заложения тоннеля, О - диаметр тоннеля, Е - модуль деформации грунта. Факторы варьировались в следующих пределах: глубина заложения Н (15 - 30м), диаметр тоннеля О (6 -10м), модуль деформации Е (6 - 30 МПа). Расчёты выполнялись для двух видов грунтов: песка и глины. Прочностные характеристики сдвига (р и с определялись в каждом расчёте, как функция от Е по эмпирическим зависимостям [5]:

В исследованиях изучалось изменение напряжённо - деформированного состояния (НДС), вмещающего тоннель массива грунта, при движении щита (различных его положениях относительно здания). Для построения кривых осадок земной поверхности (мульды оседания) в настоящее время применяются зависимости, предложенные различными исследователями (см. выше). Однако, применение каждой из них каждой из них требует знания максимальной осадки земной поверхности -$тах, формирующиеся над верхней точкой наружной поверхности обделки тоннеля (шелыгой свода). Обычно с этой целью используются эмпирические зависимости или зависимости, полученные из решения «плоской» задачи. Одной из целей данных исследований было нахождение зависимости для определения Бтах на основе численного моделирования в условиях пространственной задачи. В результате статистической обработки результатов численного моделирования движения щита, в соответствии с матрицей планирования эксперимента, для вычисления Бтах было получено уравнение регрессии, Расчёты выполнялись в соответствии с матрицей планирования эксперимента.

После обработки результатов численных расчётов по матрице планирования экспериментов методом регрессионного анализа было получено уравнение регрессии для вычисления максимальных осадок поверхности грунта, которое имело следующий вид в натуральных значениях факторов:

+69.3 х

Н - 22,5

+28.55 х

12

7,5 Б- £

х

- 74,625 х Н - 22,5

18

- 61.3 х

- 18

7,5

-22,5

12 15.375

X

12 Я - 22,5

- 24.25 х

V -

7,5

х

2

Е- 18"

12

Сравнение результатов расчётов, полученных с помощью уравнения регрессии и численного моделирования, показывает, что значения максимальных осадок ^тах., посчитанные для рассмотренных случаев различаются в пределах 9 - 17%, что соответствует точности инженерных расчетов (табл. 1).

По результатам численного моделирования, используя эпюры изополей вертикальных перемещений массива грунта, строились кривые мульды осадок нормально продольной оси тоннеля. Эти кривые сравнивались с кривыми, построенными по эмпирической зависимости Роск'а:

где х - координата осадки точки земной поверхности, / - расстояние от оси тоннеля до точки перегиба кривой осадок, определяемой по формуле:

& (45°

здесь & - внешний радиус тоннеля, Нг - расстояние от земной поверхности до внешней поверхности обделки тоннеля. Значения максимальных осадок - 52 тах земной поверхности подсчитывались с использованием уравнений регрессии. Пример сравнения ,кривых, построенных по результатам одного из расчётов, показан на рис. 3.

Таблица 1

№ опыта Факторы в натуральном виде Выходной параметр полученные по уравнению регрессии Выходной параметр полученные по МКЭ Сравнение результатов

м я, м Я, МПа Уур, мм ^МКЭ, мм %

1 10 30 30 -19,3 -21,9 12

2 10 30 6 -18,3 -15,2 17

3 10 15 30 -20,7 -17,7 14

4 6 30 30 -4,9 -5,8 16

5 6 15 30 -5,1 -4,5 12

6 10 15 6 -6,7 -5,7 15

7 6 30 6 -5,6 -6,2 10

8 6 15 6 -9,9 -9,0 9

Рис. 3 Сравнение кривых вертикального оседания земной поверхности.

Рис. 4. Изополя вертикальных перемещений грунтового массива вдоль оси движения щита

I I

О

ГО А Л1

I ГО

гп

о

ю .

2 О

Ю Ю

сч сч о сч

оэ

о ш Ш X

<

m о х

X

Как и ожидалось, результаты расчётов показали, что максимальные осадки земной поверхности имели место, не над щитом, как принимается при решении «плоской» задачи, а на расстоянии, приблизительно равном 3 - 3,5 диаметра щита от места его схода с смонтированного кольца обделки.

Ниже, на рисунке (рис. 4) представлены изолинии вертикальных осадок, построенных вдоль оси движения щита.

Изменение цветовой гаммы изолиний, наглядно показывает значения осадок, как в плоскости местонахождении щита, так и в области их стабилизации.

Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы

Заключение

По результатам выполненных исследований влияния щитовой проходки тоннеля метро на прилегающую городскую застройку можно сделать следующие общие выводы:

1. Для определения влияния проходки механизированного щита на окружающую городскую застройку необходимо построить мульду осадок. Анализа литературных источников и сравнение результатов предварительных численных расчётов (МКЭ) подтвердили возможность рекомендовать для этих целей часто используемое в инженерной практике уравнение Реск'а [6].

2. Построение кривой мульды осадок требует знания величины максимальной осадки поверхности земли над тоннелем (Smax). В работе, по результатам проведённых исследований, получено уравнение регрессии, позволяющее определить указанную величину. Адекватность уравнения подтверждается значением коэффициента детерминации (г2 = 0.81 > 0,8), что позволяет рекомендовать его для практического использования на предварительной стадии проектирования.

3. Полученные результаты численного моделирования позволяют предварительно определить расстояние за щитом при его движении, в пределах которого происходит возрастание и последующая стабилизация осадок земной поверхности, а также оценить влияние на этот процесс глубины заложения тоннеля и модуля деформации массива.

Литература

1. Cheng C. Y. et al. Finite element analysis of tunnel-soil-pile interaction using displacement-controlled model //Tunnelling and Underground Space Technology. - 2007. -Т. 22. - №. 4. - С. 450-466.

2. Cheng, C.Y., Dasari, G. R., Leung C. F. and Chow, Y. K. (2002). A Novel FE Technique to Predict Tunnelling Induced Ground Movements in Clays. Proc. Fifteenth KKCNN Symposium on Civil Engineering (eds. S. T. Quek and D. W. S. Ho).

3. Loganathan. An innovative method for assessing tunnelling-induced risks to adjacent structures. Parsons Brinckerhoff Inc., 2011

4. Рассказов Л.Н. Напряженно-деформированное состояние каменно-земельных плотин. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. МГСУ,1977

5. Речицкий В.В. Прогнозирование деформации дневной поверхности при проходке туннелей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. МГСУ, 2005

6. Peck, R.B. (1969). Deep excavation and tunneling in Bangkok soils. Proc. XIVth Conference Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, State of the Art Volume.

7. O'Reilly, M. P. and New, B. M. (1982). Settlements above tunnels in the United Kingdom - their magnitude and prediction. Tunneling '82, London, IMM, pp. 173-181. in soft ground. - 1996. - С. 491-496.

8. Mair, R.J. Taylor, R.N. and Bracegirdle, A. (1993). Subsurface settlement profiles above tunnels in clay. Geotechnique, Vol. 43, No. 2.

9. Sagaseta, C. (1987). Analysis of undrained soil deformation due to ground loss. Geotechnique, Vol. 37, No. 3.

10. Clough, G. W. and Schmidt, B. (1981). Design and performance of excavation and tunnels in soft clay. In Soft Clay Engineering, Elsevier.

11. Verruijt, A. and Booker, J.R. (1996). Surface settlements due to deformation of tunnel in an elastic half plane, Geotechnique.

12. М. Г. Зерцалов, В. Е. Меркин, Е. Н. Петрова. Подземные сооружения транспортного назначения. Инфра-Инженерия, 2020.

Study of the influence of the shield driving of the metro tunnel on the

surrounding urban development. Znamenskaya E.A. , Zertsalov M.G.

Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU) JEL classification: L61, L74, R53

During the construction of subway tunnels in urban areas, in recent years, mechanized panel complexes (TPMK) have been mainly used. In the process of sinking, the soil of the enclosing massif intensively moves in the direction of the underground working, which leads to the formation of a subsidence trough of the earth's surface, as a result of which the existing buildings in the tunneling zone receive additional precipitation, which can lead them to an emergency state, and, in extreme cases, and destroy. Taking this into account, when designing underground facilities, it is necessary to take into account the dimensions of the zone of influence along the tunneling route, which in modern design practice are determined by constructing a curve that limits the sediment funnel in a section transverse to the longitudinal axis of the tunnel (sediment trough). The article investigates this influence using numerical simulation in a spatial formulation. The conditions of the city of Moscow are considered, where metro lines are usually laid at a depth of 15-30 m. Keywords: shield penetration, subway tunnels, subsidence trough, collapse

prism, pile foundations, single pile, negative friction. References

1. Cheng C. Y. et al. Finite element analysis of tunnel-soil-pile interaction

using displacement-controlled model //Tunnelling and Underground Space Technology. - 2007. - T. 22. - No. 4. - S. 450-466.

2. Cheng, C.Y., Dasari, G.R., Leung C.F. and Chow, Y.K. (2002). A Novel FE

Technique to Predict Tunnelling Induced Ground Movements in Clays. Proc. Fifteenth KKCNN Symposium on Civil Engineering (eds. S. T. Quek and D. W. S. Ho).

3. Loganathan. An innovative method for assessing tunneling-induced risks

to adjacent structures. Parsons Brinckerhoff Inc., 2011

4. L.N. Stress-strain state of rock-and-earth dams. Dissertation for the degree

of Doctor of Technical Sciences MGSU, 1977

5. Rechitsky V.V. Prediction of day surface deformation during tunneling. Dis-

sertation for the degree of Ph.D. MGSU, 2005

6. Peck, R.B. (1969). Deep excavation and tunneling in Bangkok soils. Proc.

XlVtb Conference Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, State of the Art Volume.

7. O'Reilly, M. P. and New, B. M. (1982). Settlements above tunnels in the

United Kingdom - their magnitude and prediction. Tunneling '82, London, IMM, pp. 173-181. in soft ground. - 1996. - S. 491-496.

8. Mair, R.J. Taylor, R.N. and Bracegirdle, A. (1993). Subsurface settlement

profiles above tunnels in clay. Geotechnical, Vol. 43, no. 2.

9. Sagaseta, C. (1987). Analysis of undrained soil deformation due to ground

loss. Geotechnical, Vol. 37, no. 3.

10. Clough, G. W. and Schmidt, B. (1981). Design and performance of excavation and tunnels in soft clay. In Soft Clay Engineering, Elsevier.

11. Verruijt, A. and Booker, J.R. (1996). Surface settlements due to deformation of tunnel in an elastic half plane, Geotechnique.

12. M. G. Zertsalov, V. E. Merkin, E. N. Petrova. Underground transport facil-

ities. Infra-Engineering, 2020.