Обоснование возможности применения новоавстрийского тонельного метода для проходки тонелей в глинистых грунтах Московского региона

ВЕСТНИК 4/2010

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НОВОАВСТРИЙСКОГО ТОНЕЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ПРОХОДКИ ТОНЕЛЕЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА

SUBSTANTIATION OF THE USE OF THE NEW AUSTRIAN METHOD OF TUNNEL DRIVING IN CLAY SOILS OF MOSCOW

REGION

E.B. Ламонина

МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР

В статье рассмотрена возможность применения новоавстрийского метода проходки тоннелей в нескальных связных грунтах. Приведены результаты трехмерного компьютерного моделирования системы «тоннель - окружающий массив».

Opportunity of NATM application for tunneling in soils is considered in this paper. Numerical modeling of 3D tunnel in soil is performed and results for different E-modulus are represented as a diagram.

Традиционно используемые для проходки выработок в трещиноватых скальных грунтах с коэффициентом крепости от 2 до 5 способы опертого свода и опорного ядра не отвечают современным требованиям «высокой технологии» подземного строительства из-за повышенной трудоемкости и малых скоростей проходки, приведенных к полному сечению тоннеля (порядка 10-15 м/мес). Поэтому в последние десятилетия в сложных инженерно-геологических условиях всё более широкое применение находит новоавстрийский тоннельный метод (НАТМ). Этот метод был разработан в начале 1960-х годов и имеет самый широкий диапазон применения- от трещиноватых скальных грунтов до полускальных фунтов, сохраняющих устойчивость на период, необходимый для закрепления хотя бы одной заходки [1].

Первое время НАТМ применялся в Альпах при проходке тоннелей в прочных скальных грунтах, подверженных воздействию высоких напряжении. При этом применялась крепь, состоящая из наружного слоя - массива, армированного анкерами - и внутреннего - набрызгбетонной обделки. При проходке тоннеля первоначальное радиальное давление изменяется за счет перераспределения напряжений в массиве и часть нагрузки воспринимается элементами крепи. Постоянную обделку возводят в тот момент, когда исчерпана несущая способность временной крепи Вследствие этого обделка работает на нагрузку, значительно меньшую чем если бы ее возводили до того, как произошла разгрузка массива [4].

С использованием НАТМ построены такие подземные сооружения как автодорожные тоннели протяжённостью 15,3 и 12,5 км в Австрии расположенные в слабых полускальных грунтах [5]; двухпутный железнодорожный тоннель «North Downs» длиной 3,2 км в Великобритании [8] и др. В Японии наиболее часто используется модификация этого метода - CD-NATM (Center Dividing Type МАТМ), т.е. разработка забоя по частям короткими уступами с применением временной центральной стенки

В нашей стране НАТМ впервые был применён при строительстве Мысовых тоннелей на озере Байкал трассы БАМ, затем использовался при строительстве Северо-

4/2010 „. ВЕСТНИК

Муйского тоннеля и открытой трассы пересечения Северо-Муйского хребта трассы БАМ, Рачннского тоннеля Транссибирской магистрали, ускорительно-накопительного комплекса в п. Протвино тоннелей Закавказской железной дороги [6], строительство обходных тоннелей г. Сочи [5, 7].

В Москве НАТМ впервые был применен при строительстве временных подходных выработок Арбатско-Покровского радиуса метрополитена [2].

Несмотря на то, что НАТМ появился как способ проходки в слабоустоичи-вых грунтах, широкое применение для этих целей он нашел относительно недавно. Использование НАТМ в слабых грунтах имеет ряд особенностей. Прежде всего, это требование максимально скорого замыкания временной крепи. При этом нет необходимости выполнять крепь с отставанием от забоя, как это происходит в устойчивых скальных грунтах с целью снятия напряжений, поскольку последние относительно невелики Наоборот, вследствие неспособности грунта нести перераспределенные нагрузки, возникает опасность обрушений. Первичная облегченная обделка при использовании НАТМ в слабых грунтах позволяет подкрепить выработку и допускает некоторые перемещения ее контура вследствие разгрузки массива. Толщина этой крепи учитывается при расчете окончательной конструкции, что снижает материалоемкость строительства.

Корректное применение принципов новоавстрийского метода позволяет существенно снизить нагрузки на крепь. При этом метод отличается высокой экономичностью, достаточно значительной скоростью проходки, высокой механизацией (большинство операций по проходке и устройству набрызгбетонной крепи выполняются механизированным способом), а также возможностью применения в различных грунтовых условиях, как в скальных так и в слабоустойчивых нескальных грунтах

Интенсивное освоение подземного пространства российских городов ставит перед строителями и проектировщиками важнейшую задачу минимизации стоимости строительства подземных объектов, в том числе проходимых закрытыми способами. Применение НАТМ для этих целей на наш взгляд, является наиболее оптимальным

Для обоснования возможности использования НАТМ в глинистых грунтах Московского региона нами был выполнен численный анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «выработка -вмещающий породный массив» при использовании технологии НАТМ Для моделирования использовался метод конечных элементов и программа.

Рассмотрим тоннель пролетом 15 мв нескальных слабоустойчивых грунтах. Технология НАТМ предполагает постепенное раскрытие сечения выработки с созданием временной крепи из набрызгбетона толщиной 15 см и грунтовых анкеров длиной порядка 15 ми последующим возведением постоянной железобетонной обделки, которое выполняется после разгрузки массива. Тоннель располагается на глубине 30м от поверхности земли Вмещающий грунт имеет следующие характеристики: объемный вес у = 18кН/м , сцепление с = 28 кПа, угол внутреннего трения ср = 22°.

Была выполнена серия численных расчетов в пространственной остановке для анализа изменения НДС сооружения и массива пород при различном модуле деформации грунта. Значения модуля приняты в интервале от 20 до 80 МПа.

Так как технология новоавстрийского метода проходки предполагает устройство временной крепи с минимальным отставанием от забоя моделирование выполнялось путем «моментальной» установки слоя набрызгбетона на поверхность туннельной выработки сразу после ее разработки. Выемка породы в сечении моделировалась в два этапа- в первую очередь разрабатывалось подсводовое пространство, и моделировалась установка анкеров, а затем разрабатывалась остальная часть сечения туннеля.

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

Для вмещающего грунта выбрана упруго-пластическая модель с пределом текучести по критерию Кулона-Мора. Конструкции крепи и обделки тоннеля выполнены с помощью оболочечных элементов. Расчетная схема тоннеля приведена на рис. 1.

При анализе результатов проведенных численных экспериментов выполнено сравнение величин вертикальных перемещений характерных узлов расчетной схемы, указанных на рис.1 - узла №1, расположенного на дневной поверхности непосредственно над тоннелем и узла №2, среднего узла свода выработки. На графике (рис. 1) показан характер изменения величин перемещений в зависимости от модуля деформации вмещающего массива. Осадки поверхности земли составили порядка 6 - 14 см, а смещения свода выработки - 8 - 22 см в зависимости от величины модуля деформации грунтового массива. Такие значительные перемещения, в целом, характерны для выработок, возводимых новоавстрийским методом, тем более, что возведение постоянной обделки в задаче моделировалось на момент полной разгрузки массива, то есть достижения максимальных деформаций контура выработки.

-24 -и -20 19 -1(5

и -12 -10

\

\

Н -_

-свод диевиая пов-сть

40

84

Рис.1. Расчетная схема с указанием характерных узлов. Зависимость вертикальных перемещений узлов от модуля деформации вмещающего массива

В качестве примера на рис. 2 приводится картина вертикальных перемещении массива глинистого грунта с модулем деформации Е = 40 МПа при креплении выработки слоем набрызгбетона толщиной 15 см без устройства грунтовых анкеров.

Необходимо отметить, что наличие анкеров не оказывает существенного влияния на деформации грунтового массива и свода выработки, возводимой в рассматриваемых условиях (рис. 3).

Изменение НДС породного массива в зависимости от последовательности разработки сечения тоннеля рассмотрим на примере тоннеля кругового сечения диаметром 8 м (рис. 4). Строительство тоннеля ведется способом нижнего уступа с выполнением промежуточного обратного свода. Длина уступа принимается равной Юм. Крепление выработки моделируем в виде слоя набрызгбетона толщиной 10 см и анкерами расположенными в шахматном порядке с шагом 2 м. Характеристики вмещающего грунтового массива приняты по аналогии с вышеприведенной задачей.

4/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

яш

шл

Рис. 2. Распределение вертикальных перемещений в массиве при значении модуля деформации Е=40МПа

-24

-22

-20

-1в

ъ -16 •и

з * -12

-10

о о -8

-6

-4

-2

0

X

н—I—I—I—1—I—I—I—I—I—ь

- с анкерами - свод

с анкерами -дневная п ов-сть

без анкеров - свод

без анкеров -дневная п ов-сть

20 30 40 50 150 70 80 Е,МПа

Рис. 3. Влияние наличия грунтовых анкеров на вертикальные перемещения узлов № 1 и № 2

Рис.4. Расчетная схема тоннеля кругового очертания

ВЕСТНИК 4/2010

Для массива грунта использовалась упруго-пластическая модель. В качестве примера рассмотрим результаты расчётов для грунта с модулем деформации Е = 30 МПа.

Рис. 5. Зоны пластического течения при проходке без крепления лба забоя

Расчет по первому случаю крепления выработки показал, что зоны пластического течения практически отсутствуют, перемещения лба забоя уменьшились с 19 до 8,5 см.

По мере разработки тоннеля происходит изменение НДС системы «выработка - вмещающий массив». По картине распределения абсолютных перемещений можно оценить влияние проходки на вмещающий породный массив (рис. 6).

Рис. 6. Изменение абсолютных перемещений по мере выполнения проходки

тоннеля

Видно, что максимальные перемещения узлов расчетной схемы сосредоточены в лотке и забое тоннеля.

Проведённые расчёты показывают принципиальную возможность использования НАТМ для строительства тоннелей различной формы поперечного сечения с пролётом

4/2010 „. ВЕСТНИК

8 - 15 м на глубине до 30 мот дневной поверхности в инженерно-геологических условиях г. Москвы. При этом необходимо отметить следующее:

• осадки дневной поверхности над тоннелем могут достигать 6-14 см;

• вертикальное перемещения свода выработки может составить 8-22см;

• при глубине заложения тоннеля до 30 м наличие анкеров не оказывает существенного влияния на деформации грунтового массива и свода выработки;

• в процессе производства работ рекомендуется выполнять временное крепление лба забоя слоем набрызгбетона.

Литература:

1. Абрамчук В.П., Власов С.Н., Мостков В.М. Подземные сооружения. - М.: ТА Инжиниринг, 2005.

2. Бочаров C.B. НАТМ. Опыт применения в Москве. - Метро и тоннели, № 5, 2003. - с. 24-26.

3. Масакуни Кобаяси и др. Обзор проходки двухниточного автодорожного тоннеля большого сечения в неустойчивых песчаных грунтах и аллювиальных отложениях в городских условиях при минимальном отложении между нитками тоннеля //Труды конгресса Международной тоннельной ассоциации «Тоннелестроение и грунтовые условия». Каир (Египет), 3 - 7 апреля, 1994 г. Под редакцией МЕАоделя Саляма-Роттердам, Издательство «A.A. Балкема» 1994 с 157-164.

4. Миллерман A.C., Чеботаев В.В. Новоавстрийский метод строительства тоннелей. Обзор геомеханических аспектов современного опыта применения. Дайджест зарубежной информации. Вып.Ю., М, Тип. Мосметростроя, 1991.

5. Мордвинков Ю.А., Данилов В.В. Внедрение прогрессивной' технологии при сооружении автодорожного тоннеля горным способом. - Метро и тоннели № 3, 2007. - с. 14-16.

6. Новая конструкция арочно-бетонной крепи. - Забой. Ньюслеттер подземного строительства, №4, 1991.-е. 26-29.

7. Полищук В.П. Тоннельное строительство на автодорожном обходе г Сочи Некоторые особенности технических решений тоннеля № 6. - Метро и тоннели, № 2, 2009. - с. 16-19.

8. Тоннель «Норе Дауне» (North Downs Tunnel) - успешный проект с применением Новоавст-рииского тоннельного метода, который был реализован в 2001 году в Англии. - Метро и тоннели, № 6, 2001.- с. 28-31.

Ключевые слова: Новоавстрийский тоннельный метод, набрызг-бетон, связные грунты, численное моделирование, метод конечных элементов, глубина заложения тоннеля, обделка тоннеля.

Key words: NATM, shotcrete, cohesive soil, numerical modeling, finite element method, depth of the tunnel location, tunnel lining