Численное моделирование строительства железнодорожного тоннеля щитовым комплексом в условиях плотной городской застройки

Список литературы

1. Ананьев В.П., Гончарова Л.В. О некоторых проблемах технической мелиорации грунтов // Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве: тез. докл. на X Всесоюз. науч.-техн. совещ. Ростов-на-Дону, 1983. С.6-10.

2. Багдасаров Ю.А., Фингеров С.Л. Применение новых способов уплотнения просадочных грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. № 5. 1994. С. 18.

3. Канаков Г.В., Прохоров В.Ю. Экспериментальные исследования напряженного состояния лессовых грунтов // Основания, фундаменты и ме-ханикагрунтов. № 2. 1981. С. 18-20.

4. Пономаренко Ю.Е. Динамическое уплотнение грунтов в строительстве // Механизация строительства.№3. 2002. С. 11-13.

N.V.Zyevskaya, Y.V. Volyk

MECHANISM OF SOIL CONSOLIDATION PERIPHERAL ZONE SHAPING The formationof the peripheral zone of compaction and the final parameters of the peripheral region of the residual strain field and its projection onto the surface of the array is considered.

Key words: peripheral zone, tamping, soil, strain, seal, base, field.

Получено 20.04.11

УДК 624.19:625.1:519.87

M.A. Карасев, канд. техн. наук., доц.,

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ ЩИТОВЫМ КОМПЛЕКСОМ В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Выполнено численное моделирование проходки тоннеля неглубокого заложения, трасса которого проходит в непосредственной близости от собора Саграда Фамилия. Выявлено влияния защитного стены из буронабивных свай на характер и величину осадки земной поверхности. Выполнено сравнение натурных результатов с результатами моделирования.

Ключевые слова: тоннель, обделка, модель, смещения, осадка, проходческий

щит.

Строительство подземных сооружений в городской черте сопряжено со значительными рисками, которые должны быть минимизированы на этапе проектирования и последующей проходки тоннеля. Трасса железнодорожного тоннеля на участке Sants - La Sagrera (г. Барселона) была про-

ложена таким образом, что он проходил рядом с собором Саграда Фамилия (Церковь святого семейства), первый проект которого был разработан архитектором Франсиско дель Вильяр. В конце 1883 года на место Франсиско дель Вильяр был приглашён А. Гауди, значительно изменивший первоначальный проект. Сооружения являются памятниками исторического наследия и находятся под охраной ЮНЕСКО, что накладывало особенную ответственность на каждом из этапов проектирования и строительства тоннеля подземной скоростной железной дороги.

Собор Саграда Фамилия опирается на свайно-ростверковый фундамент. Средняя глубина заложения свай 20...25 м. Трасса тоннеля проходила в непосредственном примыкании к собору Саграда Фамилия. Расстояние от фасада до продольной оси тоннеля менее 10 м. Средняя глубина заложения тоннеля от поверхности Земли до его центра 30 м. Строительство тоннеля осуществляется с применением щитового комплекса с грунто-пригрузом забоя (EPB). Внешний диаметр тоннеля 11,47 м, а внутренний диаметр по обделке 10,4 м. Толщина обделки тоннеля 0,38 м. Оболочка щита выполнена конической формы, что облегчает перемещение щитового комплекса. Минимизация осадки смещения контура тоннеля и осадки земной поверхности обеспечивалась за счет передачи давления, создаваемого смесью бентонитового раствора и грунта на забой тоннеля, и в радиальном направлении за оболочку щита. Обделка тоннеля устанавливалась в хвостовой части тоннеля. В пространство между обделкой и массивом под высоким давлением подавался быстротверд ею щий тампонажный раствор. Таким образом, контур тоннеля практически на всех этапах проходки поддерживается, что позволяет в значительной степени уменьшить деформации в окрестности тоннеля.

Необходимо отметить, что строительство собора все еще продолжается, что может в будущем осложнить эксплуатацию подземной железной дороги. Дополнительный вес конструкций собора через свайноростверковый фундамент будет оказывать давление на обделку уже построенного тоннеля. Для улучшения условий эксплуатации обделки тоннеля и снижения негативного воздействия на собор Саграда Фамилия, вызванного строительством тоннеля, проект предусматривал возведение стены из буронабивных свай. Глубина заложения свай составляет 40 м, диаметр свай 1 м, а расстояние между ними 1.4 м.

Согласно натурным замерам (Experts report №2) [1] максимальная величина осадки земной поверхности по трассе тоннеля не превышает

0,5 см. При проведении тоннеля по глинам, минимальная величина осадки земной поверхности составила 0,2 см., максимальная 0,5 см. При проведении тоннеля через заиленные пески, минимальная осадка земной поверхности составила 0,1 см., максимальная 0,2 см.

С учетом особенностей строительства тоннеля для решения задачи прогноза осадки земной поверхности рациональным является использова-

ние методов численного моделирования. В работе выполнено конечноэлементное моделирование в объемной и плоской постановках. Задачи рассматривалась с учетом следующих граничных условий. По границам конечно-элементной модели перемещения закреплялись в перпендикуляр -ном им направлении. Поверхность Земли может свободно деформироваться.

Целью двухмерного моделирования являлось получение мульды оседания земной поверхности на протяженном участке тоннеля, находящегося вне зоны влияния других сооружений (стена из буронабивных свай, наземные сооружения). Объемная конечно-элементная модель (рис. 1) позволила смоделировать проходку тоннеля в непосредственной близости от собора Саграда-Фамилия, а также учесть наличие стены из буронабивных свай и дополнительного поля напряжений в грунтовом массиве, вызванного весом собора.

Можно выделить следующие этапы численного моделирования:

1-й этап - задание начального напряженного состояния грунтового массива; 2-й этап - устройство и первичное нагружение фундамента под собор Саграда Фамилия (величины нагрузок приняты согласно данным фирмы «1п1есБа-1пагва»); 3-й этап - строительство тоннеля с возведением постоянной обделки из железобетонных блоков; 4-й этап - передача полной нагрузки на фундамент собора.

Рис. 1. Объемная конечно-элементная модель грунтового массива и инженерных сооружений: 1 - четвертичные отложения; Q-1; 2 - третичные грунты Т-2 или Т3;

3 - коренные породы; 4 - обделка тоннеля;

5 - стена из буронабивных свай; 6 - фундамент собора Саграда-Фамилия; 7 - сваи

Для расчета было принято, что вертикальные напряжения в массиве распределяются согласно гравитационному закону. При решении задачи в двухмерной постановке коэффициент бокового давления ^ варьировался от 0,5 до 1,0, что позволило оценить влияние начального напряженного со -стояния на осадку земной поверхности, а также выявить “истинное” значение коэффициента бокового распора. Значения ^ полученные по различ-

ным аналитическим методикам, не согласовывались между собой. Наилучшее совпадение с результатами натурных замеров было получено при значении коэффициента бокового распора К0 равного 0,6. При моделировании строительства тоннеля в объемной постановке К0 = 0,6.

Строительство тоннеля осуществляется в грунтах, сложенных глинами с прослойки песка. Достаточно сложно выделить преобладание одного грунта над другим, так как по трассе тоннеля соотношение песка к глине постоянно меняется. В работе рассмотрены два варианта, когда грунтом, через который проходит щитовой комплекс, является песок, а в другом варианте - глина. Такой подход позволил определить диапазон изменения величины осадки земной поверхности в зависимости от инженерно-геологических условий.

Модель грунтового массива рассматривалась как нелинейная упруго-пластическая среда с упрочнением [2]. Для описания поведения грунта в упругой области применялась нелинейно упругая модель пористой среды, где модуль объемного сжатия В и модуль сдвига О грунтового массива зависят от средних эффективных напряжений р и величины объемных деформаций:

(1 + е0)' Р.

B =

k

ln

k

f el \

P0 + Pt

V

p + Pt

el

y

3 .(1 _ 2. V )•(! + eo),

Jel -1;

el

sel

vol

G = —------—^-------— í p + pt

2-(1 + v)-k V f f

начальный коэффициент пустотности грунта; k

параметр харак-

,el

где eo

теризующий угол наклона кривой разгрузки/последующей нагрузки; sVoí -упругие объемные деформации; pf - показатель “упругой” прочности пористого материала растяжению; Jel - коэффициент, характеризующий изменение объема вызванного упругими деформациями.

Пластическая составляющая модели среды описывалась шатровой моделью Друкера-Прагера с упрочнением. Поверхность разрушения записывается следующим выражением:

Fs = t - p • tan p - d = 0,

где t - показатель эквивалентных напряжений по Мизесу; ¡3 - угол внутреннего трения материала в плоскости p -1; d - сцепление материала в плоскости p -1,

1

t = — q 2

1+1 -

K

1 -

K

Ґ \3 r

v q y

где q - эквивалентные напряжения по Мизесу; К - параметр материала, который устанавливает взаимосвязь между формой поверхности разрушения и средним главным напряжением.

Шатровую поверхность пластического течения можно представить в виде следующей зависимости:

- Я(d + ра • Іап¡З),

где Я - параметр, который контролирует форму шатровой поверхности; а - параметр, отвечающий за переходную поверхность пластического течения; ра - параметр упрочнения/разупрочнения материала, вызванного объемными пластическими деформациями.

Упрочнение грунта, вызванное объемными пластическими деформациями, задавалось в виде следующей функции:

(Я~к) 1п Р_

1 + е0 Ро

где є^р - пластические объемные деформации грунта; Я - параметр, который характеризует угол наклона линии нормального уплотнения; р0 -среднее эффективное давление соответствующее начальному коэффициенту ПуСТОТНОСТИ Єо,

р

0~1 + ^2 ^^3

3

где с1, ст2 и ст3 - главные максимальные, средние и минимальные напряжения соответственно.

Параметры модели среды (таблица) подбирались по результатам трехосных испытаний грунта и компрессионных испытаний. Получено хорошее согласие численного моделирования поведения грунта с результатами лабораторными испытаниями (рис. 2).

Параметры шатровой моделиДрукера-Прагера дляразличныхгрунтов

Тип грунта Е, МПа V X к Р.« т/м3 Pd, т/м3 Є0 а, кРа Р Я а К

Глина и гравий - - 0,44 0,008 0,08 2,13 1,85 0,503 186 22 0,35 0 0,795

Заилиный песок - Т2 - 0,3 0,003 0,026 2,06 1,74 0,525 42 55,9 0,3 0 0,778

Глина - Т3 25 0,4 0,015 0,1 2,08 - 0,585 390 33 0,25 0,05 0,795

с1 - сцепление в плоскости q-p; Р - угол внутреннего трения в плоскости q-р; Е - модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; р8 - плотность насыщенного грунта; - плотность грунта в сухом состоянии; Я - эксцентри-

ситет шатровой поверхности пластического течения; а - параметр переходной поверхности; К - параметр, определяющий форму поверхности пластического течения; к - логарифмический модуль объемного сжатия; к -пластический модуль объемного сжатия.

Грунтопригруз, создаваемый щитовым комплексом на забой, и продольный контур тоннеля на этапе моделирования задавался в виде сосредоточенных сил, приложенных в узлах конечных элементов. Ниже приведены выражения для определения величины начального напряженного состояния в точках предполагаемого контура тоннеля:

где о1 - минимальные главные напряжения; о3 - максимальные главные напряжения; 0 - угол; ar - радиальные нормальные напряжения на контуре тоннеля; хГ9 - касательные напряжения на контуре тоннеля,

где 2С - расстояние от поверхности земли до контура тоннеля; 2 - расстояние от поверхности земли до центра тоннеля; Я - радиус тоннеля; у - усредненный удельный вес грунта; К0 - коэффициент бокового распора.

С теоретической точки зрения, если создать такую нагрузки на забой и стенки ствола, что они будет уравновешивать начальные напряжения, действующие в массиве, то смещения контура тоннеля были бы равны нулю. Но необходимо отметить, что на практике даже в случае применения современных проходческих комплексов с гидро- или грунтопригрузом забоя и окружающих пород такое условие не соблюдается.

Для оценки влияния величины грунтопригруза, создаваемого щитовым комплексом, на смещения контура тоннеля и осадки земной поверхности был разработан ряд двухмерных моделей в плоско-деформационной постановке, величина давления грунтопригруза в которых менялось от начального напряженного состояния грунтового массива до нуля (о/р).

Результаты моделирования показали, что величина осадки земной поверхности и характер мульды оседания зависят от величины грунтопригруза (рис. 3) и параметра К0. Хорошее совпадение с результатами натурных наблюдений получено при соотношении а/р = 0,9...0,95. Если значение а/р меньше 0,1, то наблюдаются значительные пластические деформации в окрестности тоннеля, что приводит к значительному увели-

о-i = г- Zc;

0-3 = к0 -у- Zc;

Zc = Z - R • sin(0 + 90),

чению осадки земной поверхности. Если тоннель находится в незакрепленном состоянии, то его устойчивость не обеспечивается.

1200

^ 1000

д 800 <и Й

^ 600 га

я а

о 400

5 к ш и

ц; 200 о

О 2 4 6 8 10 12

Продольные деформации, %

—А— 50 - сим О 200- сим —В— 300 - сим — А — 50 - лаб — © — 200 - лаб — ^ — 300 - лаб

Рис. 2. Сравнениерезультатов трехосных испытаний грунта, полученных с применением шатровой моделиДрукера-Прагера и данныхлабораторных испытаний (Т2 - песок): сим - порезультатам численного моделирования; лаб - результаты лабораторных испытаний

Начальное напряженное состояние влияет на максимальную величину осадки над центром тоннеля, а также характер осадки земной поверхности в поперечном и продольном направлениях. Чем больше значение К0, тем меньше величина осадки земной поверхности и тем более пологая мульда оседания. С уменьшением К0 наблюдается обратная картина. Таким образом, при численном моделировании строительства тоннеля щитовым комплексом с грунтопригрузом забоя и окружающего массива, необходимо уменьшать величину нагрузки, прикладываемой к контуру выработки на 5.. .10 %.

На основе объемной модели изучено влияние защитной стены из буронабивных свай, расположенной между тоннелем и собором на характер и величину осадки земной поверхности. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что наличие защитной стены уменьшает осадки земной поверхности. При этом получена зависимость изменения осадки земной поверхности от трения свай о грунт. Чем ниже трение поверхности сваи о грунт, тем выше величина осадки. Особенно ярко увеличение осадки поверхности проявляется со стороны тоннеля. Увеличение смещений со стороны собора проявляется не так заметно. На диаграмме

(рис. 4) представлены осадки земной поверхности в поперечном направлении при соотношении а / р =0,7.

р/а

----Осьтоннеля------11 м от оси тоннеля

Рис. 3. Влияние грунтопригруза на величину осадки земной

поверхности

10.0 -1

Расстояние, м

— • - 0.7

Рис. 4. Осадка земной поверхности в поперечном направлении

С увеличением давления грунтопригруза положительный эффект от установки защитной стены из буронабивных свай нивелируется. Результа-

ты анализа напряженного состояния обделки рассматриваемого железнодорожного тоннеля приведены в работе [3].

В заключение можно отметить, что согласно результатам численного моделирования для рассматриваемых условий строительства тоннеля получена максимальная осадка земной поверхности над его продольной осью 2,5...4 мм на участке строительства под защитой стены из буронабивных свай и 4.6 мм на протяженном участке строительства тоннеля. Данные значения получены при K0 = 0,6 и величине пригруза 0,9.9,5 от величины начального поля напряжения. Результаты хорошо согласуются с результатами натурных наблюдений (2.5 мм) за осадкой земной поверхности.

Работы выполнена на основании государственного контракта № П2153 от 05 ноября 2009 г. По Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., врамкахреализации мероприятия № 1. 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учеными - кандидатами наук». Наименование проекта: “Геомеханическое обоснование безосадочных способов строительства транспортных тоннелей в условиях плотной городской застройки мегаполиса .

Список литературы

1. High Speed Railway AVE Tunnel, Section Sants-Sagrera// Evolution of TBM Advance and Measures for Increase of Safety Margins in Vicinity of World Heritage Property “Works of Gaudi”. Barcelona, 2010.

2. Abaqus 6.10 Analysis User Manual.

3. Карасев M.A. Напряженное состояние обделки транспортного тоннеля при ведении проходческих работ вблизи существующих сооружений// Труды 9-й Международной научно-практической конференции “Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения”. Вокрута. 2011. С. 63-67.

M.A. Karasev

NUMERICAL MODELING OF RAILROAD TUNNEL CONSTRUCTION BY FULL FACE TUNNEL BORING MACHINE IN URBAN AREA

Numerical modeling of shallow tunnel construction which is located close to Church Sagrada Familia is done. An influence of bored pile wall on the surface settlement is considered. The results of numerical analysis is compared to in-situ measurement.

Key words: tunnel, lining, model, displacement, settlement, TBM.

Получено 20.04.11