Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные способы строительства городских автотранспортных тоннелей 12
1.1. Условия строительства тоннелей в городах Вьетнама 12
1.1.1. Общие положения 12
1.1.2. Градостроительные и транспортные условия 13
1.1.3. Состояние и перспективы городского подземного строительства... 18
1.1.4. Климатические и топографические условия 21
1.1.5. Инженерно-геологические условия 24
1.2. Анализ современного мирового опыта строительства городских автотранспортных тоннелей в слабоустойчивых грунтах 29
1.2.1. Общие положения 29
1.2.2. Открытый и полуоткрытый способы 31
1.2.3. Проходка с применением новоавстрийского способа (НАТМ) 33
1.2.4. Щитовой способ 35
1.2.5. Специальные способы 45
Выводы и задачи использований 49
Глава 2. Осадки поверхности земли при щитовой проходке тоннелей в слабоустойчивых грунтах 51
2.1. Характер и причины проявления осадок 51
2.2. Методы прогнозирования осадок 58
2.2.1. Общие положения 58
2.2.2. Теоретические методы 58
2.2.3. Экспериментальные методы 67
Выводы по главе 72
Глава 3. Разработка методики прогнозирования осадок поверхности земли при щитовой проходке тоннелей 74
3.1. Анализ существующих методик 74
3.1.1. Общие положения 74
3.1.2. Существующие методики 78
3.2. Методика для расчета деформированного состояния системы «тоннель - щит - грунтовый массив» для слабоустойчивых водоносных грунтов 83
3.2.1. Общие положения 83
3.2.2. Построение расчетных моделей в программном комплексе «Plaxis 3D Tunnel» 85
3.2.3. Моделирование задач определения осадок поверхности земли 86
3.2.4.. Конечно-элементное моделирование системы «тоннель - щит - грунтовый массив» 88
3.3. Тестовые расчеты 95
Выводы по главе 100
Глава 4. Исследования осадок поверхности земли при щитовой проходке тоннелей в гг. Ханое и Хошимине 102
4.1. Общие положения 102
4.2. Планирование численного эксперимента 104
4.2.1. Варьируемые факторы 104
4.2.2. Матрица планирования численного эксперимента 110
4.2.3. Подготовка исходных данных 113
4.3. Результаты численного эксперимента 115
4.4. Исследование осадок поверхности земли 120
4.4.1. Методика исследования 120
4.4.2. Исследование осадок поверхности земли по результатам численного эксперимента 122
4.4.3. Определение осадок поверхности земли с учетом совокупности варьируемых факторов 140
4.5. Определение давления пригруза в забое щита при проходке тоннелей.. 145
Выводы по главе 148
Глава 5. Рекомендации по ограничению нарушений поверхностных условий при строительстве автотранспортных тоннелей в гг. Ханое и Хошимине 152
5.1. Общие положения 152
5.2. Выбор рациональных конструктивно-технологических решений 153
5.2.1. Безосадочные методы проходки тоннелей 154
5.2.3. Конструкции обделок 160
5.3. Минимизация осадок поверхности земли при щитовой проходке тоннелей 163
5.3.1. Последовательность определения осадок 163
5.3.2. Оценка влияния осадок на здания, сооружения и коммуникации... 164
5.3.3. Технические меры по предотвращению нарушений поверхностных условий 167
5.4. Установление оптимальных давлений пригруза в забое и давлений нагнетания раствора за обделку и предельной величины поверхностной нагрузки от зданий 173
Выводы по главе 181
Общие выводы 183
Литература 187
Приложение 1 198
- Проходка с применением новоавстрийского способа (НАТМ)
- Конечно-элементное моделирование системы «тоннель - щит - грунтовый массив»
- Исследование осадок поверхности земли по результатам численного эксперимента
- Установление оптимальных давлений пригруза в забое и давлений нагнетания раствора за обделку и предельной величины поверхностной нагрузки от зданий
Введение к работе
Бурное развитие экономики, урбанизация крупнейших городов Вьетнама Ханоя (столицы) и Хошимина в последнее десятилетие XX и в начале XXI в. сопряжено со строительством жилых микрорайонов, крупных промышленных предприятий и складов, торговых центров, учебных заведений и т.д., быстрым ростом населения и увеличением парка транспортных средств, как частных, так и общественных.
Вместе с тем территория и уличная сеть обоих городов изменились незначительно. В настоящее время их улицы перенасыщены различными транспортными средствами, часто возникают длительные заторы и транспортные пробки, особенно в часы пик в центральных районах и на пересечениях городских дорог. На многих дорогах гг. Ханоя и Хошимина суточные пассажиропотоки достигают 300.000 пассажиров. Задержка транспортных средств на улицах наносит большой ущерб государству и населению города.
Главными особенностями и недостатками транспортных систем гг. Ханоя и Хошимина являются узкие улицы, нерациональная планировочная структура, небольшие расстояния между перекрестками, смешанное движение транспортных средств (велосипеды, мотоциклы, автомобили, др.) на улицах и недостаточное развитие общественного пассажирского транспорта.
Для решения транспортных проблем в гг. Ханое и Хошимине необходимо развитие общественного пассажирского транспорта с использованием в основном автобусов и метрополитена, комплексное использование подземного пространства, предусматривающее наряду со строительством линий метрополитена, автотранспортных и пешеходных тоннелей, подземных автостоянок и гаражей. Правительством Вьетнама утверждена программа увеличения объема пассажирского транспорта с использованием автомобилей, автобусов и такси до 2020 г до 30 % (сейчас 10 %) вместе со строительством автодорожных тоннелей, линий метрополитена и пешеходных тоннелей [60].
Строительство автотранспортных тоннелей в условиях плотной застройки, интенсивного уличного движения гг. Ханоя и Хошимина потребует минимизации нарушений поверхностных условий с целью сохранности существующих объектов и непрерывности уличного движения. Мировой опыт подземного строительства в слабоустойчивых водоносных грунтах свидетельствует о том, что при проходке тоннелей в таких условиях наиболее целесообразно использовать щитовую проходку механизированными агрегатами с активным пригрузом в забое.
Об эффективности применения тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) для сооружения городских тоннелей свидетельствует успешный опыт применения ТПМК, изготовленных английскими фирмами «Маркхэм», «Доско» и «Мак-Алпайн», американскими «Роббинс» и «Мемко», канадской «Ловат», германскими «Херренкнехт», «Баде унд Тилен», «Вайсе унд Фрайтаг», «Маннесман Демаг» и «Вирт», японскими «Мицубиси», «Кавасаки» и «Хитачи», французскими «НФМ» и «Бессак», австрийской «Альпине Вестфалия», и др. [7, 36].
Накопленный в мире опыт строительства городских тоннелей ТПМК показывает, что с целью ограничения нарушений поверхностных условий в процессе проходки тоннелей самым важным аспектом является минимизация сдвижений и деформаций поверхности земли, обусловленная в основном использованием рациональных конструктивно-технологических решений, а также технических и организационных мер.
Актуальность темы
Актуальность выбора наиболее эффективных методов строительства автотранспортных тоннелей в крупнейших городах Вьетнама обусловлена необходимостью строительства в ближайшем будущем тоннелей в гг. Ханое и Хошимине для решения городской транспортной проблемы при отсутствии достаточного опыта строительства городских подземных сооружений.
Решение транспортной проблемы обоих городов приобретает еще большую актуальность в связи с быстрым увеличением темпов роста населения и автомобилизации.
Вместе с тем, любые подземные работы в пределах городских территорий сопровождаются нарушениями грунтового массива и поверхности земли, оказывающими негативное воздействие на состояние близрасположенных зданий и сооружений. Поэтому для предотвращения повреждений зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, попадающих в зону влияния строительства, весьма актуальным становится достаточно достоверное и оперативное прогнозирование возможных осадок поверхности земли.
Прогнозирование осадок поверхности земли, возникающих в связи с проходкой тоннелей ТПМК, являлось предметом исследований многих специалистов. Однако практически все существующие математические модели, имитирующие процесс щитовой проходки тоннелей на основе двухмерного или трехмерного моделирования, не учитывают совместно ряд конструктивно-технологических факторов, влияющих на осадки: давление нагнетания раствора за обделку, степень заполнения раствором строительного зазора, а также взаимодействие между корпусом щита и грунтовым массивом.
Недостаточно достоверные прогнозы возможных осадок поверхности земли могут привести к неоправданным экономическим затратам. Особенно это важно при строительстве тоннелей в гг. Ханое и Хошимине, где сдвижения и деформации грунтового массива и поверхности земли, вызванные проходкой тоннелей ТПМК, не исследовались.
Целью диссертационной работы является выбор наиболее эффективных технических решений, обеспечивающих минимизацию нарушений поверхностных условий, и методов расчета на основе теоретического прогнозирования параметров мульды осадок поверхности земли в зависимости от совокупности конструктивно-технологических факторов применительно к щитовой проходке протяженных автотранспортных тоннелей в гг. Ханое и Хошимине,
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
• выбор и обоснование наиболее эффективных методов строительства протяженных автотранспортных тоннелей в соответствии с
градостроительными, климатическими, топографическими и инженерно-геологическими условиями в гг. Ханое и Хошимине;
• выявление характера нарушений поверхности земли при проходке тоннелей ТПМК с активным пригрузом в забое щита и выбор метода прогнозирования осадок земной поверхности;
• разработка методики прогнозирования деформированного состояния системы «грунтовый массив - щит - тоннель» с использованием программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL». Проведение тестовых расчетов на конкретных примерах строительства тоннелей;
• проведение численных экспериментов для инженерно-геологических условий гг. Ханоя и Хошимина с целью определения осадок поверхности земли в поперечном сечении;
• изучение формы кривых полученных осадок поверхности земли для определения параметров мульды осадок и определение соответствующих функций отклика с помощью современных методов статистической обработки данных;
• определение влияния отдельных конструктивно-технологических факторов и их совокупности на параметры мульды осадок поверхности земли и давление активного пригруза в забое щита;
• определение оптимальных с точки зрения минимизации осадок и кренов кривой осадок поверхности земли давлений пригруза и нагнетания раствора за обделку в зависимости от диаметра тоннеля и степени заполнения раствором строительного зазора;
• установление зависимости предельной величины поверхностной нагрузки от диаметра тоннеля и степени заполнения раствором строительного зазора с учетом предотвращения возможных повреждений близрасположенных зданий и сооружений при проходке тоннелей;
• разработка рекомендаций по выбору наиболее рациональных конструктивно-технологических решений и технических мер по ограничению нарушений поверхностных условий при щитовой проходке тоннелей в гг.
Ханое и Хошимине.
Методы исследований.
Методика выбора наиболее эффективных с точки зрения минимизации осадок земной поверхности конструктивно-технологических решений основана на изучении зависимости параметров мульды осадок поверхности земли от конструктивно-технологических факторов посредством численного эксперимента на пространственных моделях. В теоретических исследованиях применено математическое моделирование с использованием метода конечных элементов (МКЭ), реализованного с помощью программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL». Поведение грунтового массива моделируется на основе упруго-пластической модели Мора-Кулона. Результаты численного эксперимента обработаны и обобщены статистическими методами тренд-анализа, нелинейного отклика и наименьших квадратов.
Научная новизна работы.
• обоснована целесообразность и эффективность применения механизированной щитовой проходки протяженных автотранспортных тоннелей в условиях гг. Ханоя и Хошимина;
• впервые для условий Вьетнама методом математического моделирования выполнены исследования осадок поверхности земли при щитовой проходке тоннелей.
• разработана эффективная пространственная модель системы «тоннель -щит - грунтовый массив», имитирующая поэтапную щитовую проходку тоннеля в рамках единой упруго-пластической математической модели с учетом ряда конструктивно-технологических факторов. Впервые в модели учитываются совместно давление нагнетания раствора за обделку, степень заполнения раствором строительного зазора и взаимодействие между грунтовым массивом и корпусом щита;
• выявлен характер распределения осадок поверхности земли, вызванных проходкой тоннелей в условиях гг. Ханоя и Хошимина; показано, что распределение осадок в поперечном сечении, хорошо аппроксимируется
экспоненциальной зависимостью Гаусса;
• установлены количественные зависимости параметров мульды осадок поверхности земли и давления активного пригруза в забое щита от отдельных конструктивно-технологических факторов и их совокупности;
• определены оптимальные с точки зрения минимизации осадок и кренов кривой осадок давления пригруза в забое и нагнетания раствора за обделку в зависимости от диаметра тоннеля и степени заполнения раствором строительного зазора. Установлены предельные величины поверхностной нагрузки от зданий в зависимости от диаметра тоннеля и степени заполнения раствором строительного зазора, при которых максимальная осадка и максимальный наклон кривой осадок поверхности земли не превышают допустимых значений;
• предложены рекомендации по минимизации нарушений поверхностных условий при проходке автотранспортных тоннелей щитовым способом в слабоустойчивых грунтах.
Практическая ценность.
Разработанная математическая модель позволяет определять пространственное деформированное состояние системы «тоннель - щит -грунтовый массив» при строительстве автотранспортных тоннелей щитовым способом в слабоустойчивых грунтах.
Полученные результаты дают возможность с достаточной для практических целей точностью прогнозировать величины и характер мульды осадок поверхности земли, а также величины давлений пригруза, и разработать рекомендации по ограничению нарушений поверхностных условий при сооружении автотранспортных тоннелей щитовым способом в условиях гг. Ханоя и Хошимина.
Достоверность полученных результатов обоснована:
• учетом требований действующих нормативных документов;
• строгостью исходных данных и предпосылок применяемых методов исследований;
• использованием опыта и разработок ведущих фирм в исследуемой области;
• тестовыми расчетами осадок грунтового массива и поверхности земли при строительстве тоннеля подземной линии №7 метрополитена в Осаке (Япония), тоннеля Хейеноорд -2 в Нидерландах, и Серебряноборского тоннеля глубокого заложения в Москве, подтвержденными фактическими данными.
На защиту выносятся.
1. Разработанная пространственная модель системы «тоннель - щит -грунтовый массив» для прогнозирования осадок поверхности земли.
2. Обоснование. аппроксимации формы кривых, описывающих осадки поверхности земли экспоненциальной зависимостью Гаусса.
3. Расчетные зависимости параметров мульды осадок поверхности земли, а также величины «оптимального» и «достаточного» давлений пригруза в забое от отдельных конструктивно-технологических факторов.
4. Полученные зависимости для теоретического определения параметров мульды осадок поверхности земли, а также величины давлений пригруза в забое с учетом совокупности рассматриваемых факторов.
5. Рекомендации по выбору наиболее эффективных конструктивно-технологических решений, а также по ограничению нарушений поверхностных условий при щитовой проходке тоннелей в гг. Ханое и Хошимине.
6. Полученные зависимости оптимальных давлений пригруза в забое щита и нагнетания раствора за обделку и предельной величины поверхностной нагрузки от диаметра тоннелей и степени заполнения раствором строительного зазора.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 3 статьях, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях (2005 - 2006 гг.) Московского автомобильно-дорожного института (ГТУ).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 206 страницах машинописного текста и включает введение, пять глав, общие выводы, два приложения, 102 рисунков, 21 таблиц и список литературы из 149 источников.
Проходка с применением новоавстрийского способа (НАТМ)
Применение временных мостов-перекрытий или сборно-разборных эстакад и щита открытого профиля позволяет сократить участок раскрытия до 30 - 40 м [36]. Эффективность использования щитов повышается при сочетании их с мостами-перекрытиями или экранами из труб, особенно под дорогами, улицами и подземными коммуникациями. Причем применение щита открытого профиля позволяет повысить степень механизации работ, исключает стационарное ограждение стен котлована, сокращает объемы земляных работ, увеличивает темпы строительства и снижает уровень шума и вибрации. Все эти способы повышают приспособленность открытого способа при строительстве тоннелей мелкого заложения в городских условиях.
При расположении тоннелей мелкого заложения в непосредственной близости от зданий, а также в условиях интенсивного уличного движения применяют полуоткрытый траншейный способ работ с возведением стен по технологии «стена в грунте» из монолитного, сборного или сборно-монолитного железобетона [36]. При этом стены и перекрытие тоннеля сооружают со вскрытием дневной поверхности, а разработку грунтового ядра и возведение лотка осуществляют закрытым способом.
Получает распространение полуоткрытый способ строительства тоннелей мелкого заложения - «кернтнерский» [36], сочетающий достоинства и недостатки открытого и закрытого способов работ. Сущность этого способа заключается в том, что вначале на участке длиной 50 - 100 м в котловане с естественными откосами или принудительным ограждением стен возводят плоское или сводчатое перекрытие, опираемое на грунт, ограждения стен или короткие сваи. После обратной засыпки перекрытия под его защитой со стороны портала или забойного котлована по технологии НАТМ осуществляют проходку и крепление выработки.
К достоинствам полуоткрытых способов относится возможность быстрого восстановления движения наземного транспорта. 1.2.3. Проходка с применением нового австрийского способа (НАТМ)
Первое успешное применение способа НАТМ отмечено на строительстве тоннеля во Франкфурте (Германия) в 1969 г. Сущность способа, предложенного проф. Л. Рабцевичем и проф. Л. Мюллером, основывается на теоретической концепции взаимодействия гибких крепей из набрызгбетона с окружающим грунтовым массивом [23].
Успешное строительство тоннелей НАТМ во многом зависит от последовательности раскрытия выработки, способа разработки грунта, крепления и гидроизоляции, времени установки первичной крепи и замыкания контура выработки обратным сводом, определяющихся в основном инженерно-геологическими условиями и размерами поперечного сечения тоннеля. В первую очередь разрабатывают периферийную часть выработки, закрепляя ее тонкой податливой крепью из набрызгбетона толщиной 15 - 20 см или набрызгбетона, усиливаемого стальными, решетчатыми арками или скальными анкерами. После затухания деформаций окружающего грунтового массива, что регистрируется по показаниям измерительных приборов, раскрывают центральную часть и устраивают вторичную крепь из монолитного бетона или набрызгбетона толщиной 25 - 30 см [23].
Важно отметить, что успешная реализация технологии НАТМ связана с необходимостью систематических измерений деформированного состояния породного массива и элементов крепи, неукоснительным соблюдением многочисленных конструктивно-технологических требований, организацией научного сопровождения тоннельных работ [23,36, 76].
Основным достоинством НАТМ следует считать универсальность и гибкость с точки зрения приспособляемости к инженерно-геологическим условиям. Например, если при проходке тоннеля встречаются неустойчивые грунты, то легко усилить крепь путем изменения количества и/или скальных анкеров, толщины слоя набрызгбетона, и дополнительной стабилизации грунтов. Возможно создание выработки практически любых форм и размеров поперечного сечения в широком диапазоне грунтовых условий на любой глубине заложения. Разработка грунта осуществляется как буровзрывным, так и механизированными способами.
В ряде стран используют модифицированные технологии НАТМ, сохраняя основные принципы метода, но приспособив его к местным условиям. В США при использовании модифицированной технологии НАТМ первичную крепь возводят только из скальных анкеров без набрызгбетона, а в Норвегии -вторичную крепь не возводят [23, 76].
Для проходки тоннелей в сложных условиях, характеризующихся повышенным давлением на крепь, применяют различные технические средства. Например, в Японии разработана технология крепления выработок, получившая название метода крестообразных диафрагм (метод CRD). С использованием принципов НАТМ разработана технология проходки тоннелей под насыпями железных и автомобильных дорог под защитой предварительно устроенного экрана из стальных горизонтальных труб [23, 36].
С применением модифицированной технологии НАТМ можно сооружать тоннели в слабоустойчивых грунтах, что подтверждается успехом сооружения камеры съездов на береговом участке подводного тоннеля под проливом Ла-Манш [36]. Схема раскрытия выработки показана на рис. 1.14. Камеру площадью 252,2 м (пролет 21 и высота 15 м), заложенную в толще глинистых грунтов, сооружали с проходкой в первую очередь двух боковых опережающих штолен, последующим раскрытием профиля сверху вниз и закреплением контура выработки двухслойной комбинированной крепью из набрызгбетона толщиной 40 см, скальных анкеров и решетчатых арок. Породу разрабатывали ТПМ АМТ-70 с рабочим органом избирательного действия.
Анализ технико-экономических показателей показал, что стоимость сооружения тоннелей НАТМ не зависит от длины проходки, в то время как при применении щитов или ТПМ роторного типа стоимость уменьшается с увеличением длины проходки. Стоимость строительства тоннелей НАТМ, как правило, на 5 - 10 % ниже стоимости строительства другими горными способами и щитовым способом. Сравнение показателей НАТМ и открытого способа свидетельствует о том, что НАТМ предпочтительнее применять при меньших пролетах выработки и больших глубинах заложения [23, 36].
Конечно-элементное моделирование системы «тоннель - щит - грунтовый массив»
Разработана схема бездомкратного продавливания секций тоннеля с использованием синтетических камер, заполненных сжатым воздухом. Применение одного из вариантов такой технологии, получивший название «червячного метода» (разработала английская фирма «Маркой Интернешнл»), позволяет продавливать тоннели длиной до 500 м с высокими скоростями [36].
В практике получили распространение различные антифрикционные мероприятия, обеспечивающие наряду со снижением сопротивления трения по наружной поверхности продавливаемых секций тоннеля уменьшение сдвижений и деформаций грунтового массива. Из них наиболее радикальным средством, позволяющим исключить сдвижения и деформации, является применение опережающих экранов из труб [21,36].
В целом при применении способа продавливания может быть достигнуто снижение трудозатрат на 20 - 30 %, стоимости строительства - на 15 - 20 % и сроков работ - в 2-3 раза по сравнению с другими технологиями [36].
Таким образом, способ продавливания наиболее эффективен при строительстве участков тоннелей мелкого заложения под автомобильными и железнодорожными магистралями, насыпями и др. препятствиями, особенно на городских территориях в непосредственной близости от существующих зданий и подземных коммуникаций.
Применение опережающих крепей
При строительстве тоннелей горными способами или способом продавливания в слабоустойчивых грунтах, чтобы предотвратить обрушение грунтов окружающих выработку, в процессе раскрытия выработки применяют опережающие крепи в виде экранов из труб, грунтоцементных свай, химически закрепленных грунтов или бетонных сводов (ОБК) [21, 36, 123].
Экраны выполняют из стальных, железобетонных и асбоцементных труб, состоящих из отдельных звеньев и размещающихся в один или два ряда вдоль оси тоннеля. Трубы помещают в грунт из забойных котлованов, промежуточных шахтных стволов, или непосредственно из забоя тоннеля различными способами: продавливанием, «проколом» или проталкиванием в заранее пробуренные скважины. После этого раскрывают тоннельную выработку заходками, соответствующими длине экрана с подкреплением последнего временной крепью.
Измерение осадок поверхности земли при строительстве ряда тоннелей показало, что максимальные осадки при применении экрана из труб составляют около 20 мм. Это в 10 раз менее максимальных осадок при строительстве в подобных инженерно-геологических условиях без применения экранов. Следует отметить, что проходка под защитой экранов из труб осуществляется без какого-либо выпуска грунтов в выработку [123].
Тоннели под защитой экранов из труб, построенные, строящиеся и проектируемые в России и за рубежом (Италия, Франция, Япония, США, Германия, Румыния и др.). Введены в эксплуатацию автотранспортные тоннели на пересечении Волоколамского шоссе с ул. Свободы под железной дорогой Рижского направления (г. Москва, 2001 г.), тоннель на улице Локомотивной и два тоннеля на станции Бахаревка под Транссибом (г. Пермь, 2001 и 2003 г.).
ОБК устраивают из забоя выработки сразу же после нарезки щели путем бетонирования методом набрызга контурной щели, устроенной щеленарезной машиной. Требуемые размеры щелей определяются в зависимости от инженерно-геологических условий и составляют 0,15 - 0,3 м. «Перекрытие» соседних секций ОБК обеспечивается не менее, чем на 0,3 м и создает непрерывную крепь [36].
Практика свидетельствует, что осадки поверхности земли при применении ОБК на 70 % меньше, чем при НАТМ. Стоимость строительства с ОБК примерно на 25 - 35 % выше, чем при использовании НАТМ и на 40 - 60 % ниже, чем при традиционных способах [36].
За время применения опережающих крепей в тоннелестроении значительно расширилась область их применения за счет усовершенствования технологии работ: задавливания труб, извлечения из них грунта, соединения звеньев труб, заполнения их бетоном, закрепления грунта окружающего трубы, нарезки щелей, набрызгбетонирования и др. [36, 123]. Рассматриваемые технологии успешно применяли на строительстве тоннелей различного назначения во Франции, Италии, Испании, Швейцарии, Японии, России и др. Например, с применением ОБК сооружен станционный комплекс «Адмиралтейская» Санкт-Петербургского метрополитена [36].
Анализ особенностей и перспектив строительства автотранспортных тоннелей в крупнейших городах Вьетнама, а также данных современного опыта тоннелестроения позволяет сделать следующие выводы. 1. Для решения транспортных проблем в гг. Ханое и Хошимине необходимо комплексное использование подземного пространства, предусматривающее строительство линий метрополитена, автотранспортных и пешеходных тоннелей, подземных автостоянок и гаражей. Правительством Вьетнама утверждена программа строительства автодорожных тоннелей, линий метрополитена и пешеходных тоннелей до 2020 г. 2. Строительство тоннелей должно вестись с минимальными нарушениями поверхностных условий при обеспечении нормальной жизни населения, сохранности находящихся поблизости зданий, сооружений и инженерных коммуникаций. При выборе способа строительства необходимо учитывать особенности инженерно-геологических условий гг. Ханоя и Хошимина, характеризующиеся наличием толщи слабых и неустойчивых грунтов мощностью более 30 м и высоким уровнем грунтовых вод. 3. Применение открытых и полуоткрытых способов работ сопряжено со вскрытием поверхности земли, длительными сроками строительства и риском повреждения близрасположенных зданий и сооружений и может быть рекомендовано только для строительства коротких тоннелей мелкого заложения. Использование горных способов работ, основных на технологии НАТМ, при наличии водоносных неустойчивых грунтов весьма затруднительно и не может гарантировать безопасность тоннелестроительных работ. 4. При строительстве участков тоннелей под искусственными или естественными препятствиями целесообразно применение способа продавливания, имеющего различные модификации и хорошо приспосабливающегося к изменяющимся топографическим, инженерно-геологическим и градостроительным условиям. 5. Для преодоления ограниченных зон тектонических разломов, нарушенных и неустойчивых грунтов можно использовать различные виды опережающей крепи: экраны из труб, бетонные своды, стабилизованный грунт и др. Выбор той и иной крепи определяется формой и размерами тоннельной выработки, свойствами и условиями залегающих грунтов, наличием специализированного оборудования.
Исследование осадок поверхности земли по результатам численного эксперимента
Лабораторные исследования выполняют на моделях уменьшенного масштаба с соблюдением условий подобия между моделью и натурным объектом. Воспроизведение механических процессов, происходящих в грунтовом массиве при строительстве тоннелей, в ряде случаев осуществляют посредством физического моделирования с применением методов эквивалентных материалов, структурных моделей, оптико-поляризационного, центробежного, инерционного и др. [21, 66]. Основополагающие принципы и область применения каждого из этих методов моделирования различны.
Инерционный метод, как и центробежный, дает возможность проводить исследования в основном малых моделей выработки и окружающего ее грунтового массива, выполненных из тех же материалов, что и в натуре. Идея инерционного метода заключается в использовании сил инерции, возникающих в падающем теле при его торможении. Эти силы инерции компенсируют недостаток сил тяжести малой модели.
В сравнении с центробежным моделированием и методом «эквивалентных материалов» инерционное моделирование отличается исключительной простотой и дешевизной оборудования. В отличие от центробежного метода (где гравитационные силы моделируются центробежными), инерционный метод дает безукоризненное подобие сил по направлению и по распределению в различных точках модели. Существенным недостатком инерционного метода является кратковременность действия сил, что ограничивает область его применения при исследовании рассматриваемой задачи. Причем зависимость процессов, происходящих в породном массиве, от особенностей технологии строительства (например, при поэтапном сооружении) не позволяет широко применять также и метод центробежного моделирования. В практике тоннелестроении наибольшее распространение получил метод эквивалентных материалов (МЭМ), предусматривающий создание моделей из искусственных материалов, имитирующих в определенном масштабе реальный грунтовый массив. Метод эквивалентных материалов основан на теории подобия Ньютона, которая устанавливает геометрическое, кинематическое и динамическое подобие механических процессов. При этом обеспечивается достижение близкой аналогии в протекании геомеханических процессов, происходящих в натуре и в модели под действием гравитационных сил, и отличается только размерами сходственных параметров и скоростью.
Использование МЭМ позволяет изучить механизм сдвижений и деформаций грунтового массива, проследить влияние на этот процесс определяющих факторов и прогнозировать характер возможных нарушений поверхности земли. При этом достигается хорошее подобие модели и натурного тоннеля, высокая точность получаемых результатов, имеется возможность имитировать слоистость, трещиноватость и неоднородность грунтового массива, технологию проходки подземных выработок и пр. Так, МЭМ имеет ряд важных преимуществ перед другими методами: возможность построения крупных моделей, сохранение стабильности физико-механических свойств материалов во времени, сравнительная простота имитации производственных процессов.
Метод эквивалентных материалов, получивший широкое распространение в изучении закономерностей процессов сдвижений и деформаций грунтового массива разработан Г.Н. Кузнецовым [10]. В 50-х годах XX века впервые в практике тоннелестроения проф. Ю.А. Лиманов организовал работы по моделированию методом эквивалентных материалов применительно к условиям строительства Ленинградского метрополитена [10].
В практике моделирования проходки тоннелей успешно используется также поляризационно-оптический метод (ПОМ), иногда совместно с МЭМ (т.н. метод комбинированного моделирования, где массив моделируется согласно концепции МЭМ, а материал крепи согласно ПОМ). Поляризационно оптический метод исследования напряжений (фотоупругость, фотопластичность, фотоползучесть, фототермоупругость и др.) позволяет изучать поля напряжений и деформаций в плоских или объемных прозрачных моделях, подобных по форме и нагрузке исследуемым тоннелям и просвечиваемых поляризованным светом.
Использование физического моделирования в проектно-изыскательской практике сейчас скорей исключение, чем повседневная практика, однако чрезвычайно обширный и полезный материал многочисленных результатов физического моделирования сооружения тоннелей до сих пор дает почву для рассуждений и заключений. Рассмотренные выше методы имеют ряд существенных недостатков, которые главным образом связны с трудностями моделирования и погрешностями измерений. В связи с этим характерной чертой современных тенденций в сфере моделирования является упор на математическое моделирование на основе численных методов.
В практике строительства подземных сооружений получили распространение экспериментальные исследования в натурных условиях, выполняемые на строительстве почти всех крупных тоннелей и включающие наблюдения (мониторинг) за процессом сдвижений и деформаций грунтовой толщи и обделки тоннеля, а также наземных зданий по трассе тоннеля на различных этапах его строительства и эксплуатации. При этом производят систематические измерения вертикальных и горизонтальных смещений поверхности земли, грунтового массива и обделки тоннеля, и определяют основные параметры процесса сдвижения (граничные углы, наклоны и кривизну мульды сдвижения, горизонтальные деформации растяжения и сжатия, скорости осадки), периоды опасных деформаций, работу конструкции обделок и пр. Кроме того, фиксируют все видимые дефекты и повреждения элементов зданий, находящихся в зоне влияния тоннеля.
Программа исследований, включающая длительность, периодичность и методику измерений, установлена в зависимости от конкретных градостроительных и инженерно-геологических условий, глубины заложения тоннеля, способа его строительства и пр. Обычно измерения начинают до проходки подземной выработки и прекращают через несколько лет после ввода сооружения в эксплуатацию. Это позволяет обнаружить появление сдвижений и деформаций на первой стадии и проследить динамику их развития во времени, вплоть до полного затухания. Для реализации программы исследований организуют специальные наблюдательные станции, располагая их по трассе строящегося тоннеля.
Среди огромного многообразия методов натурных исследований (в том числе геодезических и геофизических методов измерений), проводившихся при строительстве городских тоннелей, следует рассмотреть те из них, которые позволяют оценить деформированное состояние массива вокруг выработок и на земной поверхности, конструкций обделок.
Установление оптимальных давлений пригруза в забое и давлений нагнетания раствора за обделку и предельной величины поверхностной нагрузки от зданий
В настоящее время существует ряд достаточно мощных программных комплексов, позволяющих проводить сложные геотехнические исследования на основе численных экспериментов. Среди них особый интерес для специалистов, работающих в области тоннелестроения, представляют специализированные программные комплексы, имеющие необходимые инструменты для моделирования процесса разработки грунта и взаимодействия сооружений с грунтовым массивом. К их числу принадлежат, в частности, программные комплексы «PLAXIS», «Z-SOIL», «COSMOS/M», «ANSYS», «NASTRAN», в основе которых лежит МКЭ.
В данной работе для исследования пространственного НДС грунтового массива системы «тоннель - щит - грунтовый массив» используется программный комплекс «PLAXIS 3D TUNNEL» (разработанный нидерландский компанией «PLAXIS BV»).
Типичный цикл работ в процессе сооружения тоннеля щитовым способом заключается в том, что на длине заходки (равной ширине кольца обделки тоннеля) разрабатывают грунт и устанавливают постоянную обделку и одновременно нагнетают тампонажный раствор за обделку. При разработке грунта в массиве происходят деформации, нагружающие ранее установленную обделку.
Аналогичный процесс должен быть выполнен и при моделировании сооружения тоннеля. Для определения деформированного состояния системы «тоннель - щит - грунтовый массив» необходимо последовательно решить ряд следующих задач: определить бытовое НДС грунта в зоне проходки тоннеля от собственного веса грунта и от тектонических процессов. Используя решение этой задачи, найти величины действующих напряжений в окружающем выработку массиве, в том числе на контуре выработки; разработать расчетную модель, которая отличается от первой тем, что в ней отсутствует грунт первой заходки и к поверхности выработки приложены с обратным знаком «снимаемые» напряжения, полученные при решении первой задачи. Из решения первой и второй задач путем суммирования следует определить напряжения, действующие на поверхности выработки, обнажаемой в процессе разработки грунта на второй заходке, и определить деформации окружающего выработку грунта из решения только второй задачи (первой заходки); разработать третью расчетную модель, которая отличается от второй тем, что в ней отсутствует грунт второй заходки и к ее поверхности приложены с обратным знаком суммарные напряжения, определенные из решения первой и второй задач. Решением этой задачи определяют напряжения, действующие на поверхности выработки, обнажаемой на третьей заходке, и суммируют их с напряжениями, определенными в первой и во второй задачах для тех же поверхностей. В результате определяют деформации окружающего выработку грунта, вызванные второй заходкой, путем суммирования их с деформациями, определенными во второй задаче (первой заходке); далее на последующих заходках, повторяя данную процедуру, моделируется весь процесс проходки тоннеля на рассматриваемом участке. Следует отметить, что щит (корпус щита) вступает в работу одновременно с разработкой грунта, монтаж обделки осуществляется за щитом, она вступает в работу сразу же после нагнетания раствора за обделку, а взаимодействие между грунтовым массивом и обделкой происходит после схватывания тампонажного раствора. «PLAXIS 3D TUNNEL» - это мощный программный комплекс метода конечного элемента, позволяющий выполнять на персональных ЭВМ типа PC практически любые научные и инженерные расчеты геомеханических задач. Программный комплекс «PLAXIS 3D TUNNEL» позволяет быстро и качественно строить конечно-элементную модель исследуемого объекта практически любой сложности, выполнять почти все виды нужных при проектировании расчетов и получить наглядное графическое представление результатов с использованием многоцветной палитры и средств анимации. Программный комплекс позволяет производить: расчет статических деформаций и напряжений, решение задач прочности при действии на объект сосредоточенных и распределенных статических нагрузок, собственного веса. Свойства материалов могут быть нелинейными; анализ стабилизации забоя путем постепенного уменьшения давления пригруза в забое щита до тех пор, когда происходит сброс грунта в забой. Величина пригруза в соответствии со сбросом грунта определяется как «достаточное» давление пригруза забоя; определение устойчивости или коэффициента запаса безопасности подземных сооружений путем снижения прочностных параметров грунта - в нашем случае с и ф. Этот путь называется «с и ф процедура». При визуализации результатов доступны всевозможные операции работы с изображением: поворот, масштабирование, выделение фрагментов, удаление невидимых линий и т.д.
Трудоемкий процесс создания конечно-элементной сетки может быть значительно упрощен, благодаря средствам автоматической генерации, которые позволяют быстро создавать сложные сетки. Сюда относится автоматическое разбиение области на элементы с желаемой густотой или мелкой сетки, операции переноса, масштабирования, симметричного отражения. Программный комплекс имеет совершенный геометрический препроцессор, позволяющий формировать модель в графическом окне. В качестве конечных элементов могут использоваться: трехмерные стержневые и балочные элементы, пластины, оболочки, трубы и др.
Одна из важнейших особенностей программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL» - возможность профессионального моделирования проходки тоннелей щитом и новым австрийским способом (НАТМ).
С помощью современного мощного программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL» возможно решение пространственных задач тоннелестроения, моделирование технологических ситуаций при сооружении тоннелей, главным образом, изменения давления пригруза в забое щита и давления нагнетания раствора за обделку, заполнения тампонажным раствором строительного зазора и наличие расположенных наземных сооружений. Эти ситуации не могут быть сведены к плоским расчетным схемам, и для их расчета необходима постановка пространственных задач, на порядок увеличивающих число неизвестных и сложность решения.
