Анализ влияния строительства котлована на расположенный вблизи тоннель

ВВЕДЕНИЕ

Согласно статистическим данным по состоянию на 31 декабря 2017 года общая протяженность линий метро в Китае достигла 3894,2 км и Китай стал крупнейшим рынком строительства таких линий в мире [Feng Aijun, 2018]. Подземное пространство становится «перегруженным», и рядом с тоннелями метро проводится множество земляных работ. Разгрузка при выемке грунта поблизости обязательно вызывает изменения полей напряжений и смещений во вмещающих грунтах и тоннелях метро, что вызывает дополнительные внутренние усилия и деформации конструкций тоннелей и серьезно угрожает их безопасности. Так, Берфорд [Burford, 1988] впервые сообщил о проходке тоннеля над существующим тоннелем метро, который за 27 лет поднялся в сумме на 50 мм; Чан и др. [Chang et al., 2001] проанализировали повреждения конструкций тоннеля метро в г. Тайбэе из-за выемки грунта при строительстве соседнего котлована. Поэтому очень важно понимать характеристики деформаций и распределение внутренних усилий в существующих тоннелях метро во время проведения поблизости земляных работ [Liu Siqin et al., 2009].

В отношении деформаций существующих тоннелей из-за соседних земляных работ было выполнено множество исследований. Например, Чжан Цзюньфэн и др. [Zhang Junfeng et al.] для анализа деформаций грунта, вызванных разгрузкой при откопке котлована, использовали решение задачи Буссинеска, рассмотрели пространственно-временные эффекты деформаций слабого грунта и предложили метод расчета для прогнозирования смещения тоннеля вверх. Хуан Хунвэй и др. [Huang Hongwei et al., 2012] при проектировании котлована под фундамент Шанхайской набережной выполнили конечноэлементное моделирование и проанализировали закономерности деформаций соседнего тоннеля при различных мерах укрепления.

Результаты указанных выше исследований в основном были получены для типичных территорий со слабым грунтом, таких как в г. Шанхае, но следует отметить, что для других геологических условий решения аналогичных проблем недостаточно.

В данной работе [1] изучаются закономерности деформирования существующего тоннеля метро, проходящего наискось под строящимся в указанных типичных условиях котлованом (близко к его дну), а также анализируются эффекты защитных мер по укреплению грунта. Затем эффекты укрепления верифицируются с помощью данных полевого мониторинга.

УСЛОВИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Общее расстояние между порталами рассматриваемого тоннеля линии R3 метро г. Цзинаня составляет 1033,5 м. Левая линия этого двойного тоннеля проходит наискось под южным участком строящегося котлована (в виде объемной траншеи) для ленточного фундамента. Угол между направлениями продольных осей котлована и тоннеля равен 15°, а минимальное расстояние между дном котлована и верхом свода тоннеля составляет всего 1,8 м.

Площадка строительства котлована расположена на холмистой территории, на которой слои грунтов включают (сверху вниз): насыпной грунт; гравелистый грунт; выветрелый известняк.

Глубина котлована составляет около 9,4 м, ширина – примерно 12,85 м. Для обеспечения устойчивости котлована выбраны наклонные борта крутизной 1:0,5 и анкерные болты для крепления бортов в грунте. Длина анкерных болтов варьирует от 5 до 8 м, расстояние между ними по горизонтали составляет 1,5 м, по вертикали – 2 м.

Расположение котлована и тоннеля метро относительно друг друга в плане показано на рисунке 1, на вертикальном поперечном разрезе – на рисунке 2. Основные физико-механические характеристики грунтов приведены в таблице 1.

Рис. 1. Схема расположения тоннеля метро и котлована друг относительно друга в плане

Рис. 2. Схема расположения тоннеля метро и котлована на вертикальном поперечном разрезе. Длина анкерных болтов и расстояние между дном котлована и верхом тоннеля указаны в миллиметрах

Таблица. Основные физико-механические характеристики грунтов, слагающих исследуемую площадку

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ДЕФОРМАЦИЙ ТОННЕЛЯ, ВЫЗВАННЫХ ОТКОПКОЙ НАД НИМ КОТЛОВАНА

До создания котлована взаимодействие между существующим тоннелем и вмещающим его грунтом было стабильным, то есть тоннель находился в состоянии равновесия сил (рис. 3, а). При откопке котлована над тоннелем поля смещений и внутренних усилий в грунтовом массиве изменятся и разгрузка из-за выемки грунта будет передана тоннелю. На рисунке 3, б показано, что вертикальная разгрузка вызывает смещение вверх грунта под котлованом с выпором его дна и поднятие находящегося под котлованом тоннеля за счет уменьшения давления на него от вышележащего грунта. А горизонтальные напряжения с обеих сторон этого тоннеля, наоборот, увеличиваются из-за сжимающего действия грунта. В результате из-за горизонтального сжатия и вертикального растяжения изначально круглое поперечное сечение тоннеля принимает вертикально вытянутую эллиптическую форму (см. рис. 3, б).

Рис. 3. Состояние равновесия напряжений во вмещающем тоннель грунте до создания сверху котлована (а); дисбаланс напряжений после откопки котлована над тоннелем (б)

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ

Расчетная модель и основные допущения

В этой работе для расширенного численного анализа использовалась конечноэлементная программа midas GTS NX. Размеры полученной компьютерной модели составили 250 м х 150 м х 50 м (соответственно длина, ширина, высота). Эта модель показана на рисунке 4. Для дна модели было принято ограничение горизонтальных и вертикальных смещений, для ее боков – ограничение горизонтальных смещений, а верх был задан как свободная поверхность без каких-либо ограничений.

Рис. 4. Численная модель: а – до создания котлована выше существующего тоннеля метро; б – после откопки котлована

Для удобства анализа были сделаны следующие допущения.

1. Для моделирования грунта использовались объемные конечные элементы, для анкерных болтов – встроенные стержневые элементы, для обделки тоннеля – пластинчатые элементы. Все это согласовывалось с принятием комплексной геомеханической (конститутивной) модели Мора – Кулона.

2. Было принято, что один и тот же слой грунта является однородным, непрерывным (без нарушений сплошности) и изотропным.

3. Не учитывалось влияние подземных вод.

Моделирование условий строительства

Перед откопкой котлована моделировались первоначальные напряжения в грунте in-situ, затем моделировалась проходка тоннеля метро (в реальности он был пройден щитовым способом). После этого имитировалась откопка котлована над тоннелем. Создание котлована производилось по принципу послойной выемки грунта с соответствующим поэтапным креплением бортов, то есть в следующей последовательности сверху вниз: выемка первого слоя грунта – установка первого уровня (яруса) анкерных болтов – выемка второго слоя грунта – установка второго яруса анкерных болтов – выемка третьего слоя грунта – установка третьего яруса анкерных болтов – выемка четвертого слоя грунта – установка четвертого яруса анкерных болтов – выемка грунта до запроектированного уровня дна котлована.

Результаты численного моделирования

На рисунке 5 показаны смоделированные вертикальные смещения окружающего котлован грунта и существующего под ним тоннеля. Видно, что на вмещающий котлован грунтовый массив влияет разгрузка после выемки грунта и происходит выпор дна котлована с максимальным смещением вверх 30,47 мм как раз над пересечением котлована с тоннелем в плане. Тоннель также испытывает вертикальные смещения с максимальным подъемом на 23,11 мм непосредственно под котлованом (это не соответствует допустимой деформации, которая составляет 20 мм). Анализ показал, что деформации котлована и тоннеля согласуются друг с другом, а максимальные вертикальные смещения приходятся на вертикальный разрез, проходящий через их пересечение в плане.

Рис. 5. Вертикальные смещения после откопки котлована: а – для окружающего котлован грунта; б – для существующего тоннеля под котлованом

На рисунке 6 сопоставлены положения тоннеля до и после его деформирования. На рисунке 7 показаны графики изменений вертикальных смещений тоннеля (его оси) вверх на разных этапах создания котлована. Из графиков видно, что с увеличением глубины выемки грунта из котлована подъем тоннеля под ним постепенно увеличивается, причем максимальное вертикальное смещение происходит непосредственно под котлованом. Подъем тоннеля постепенно уменьшается примерно симметрично в обе стороны от точки пересечения осей тоннеля и котлована в плане. При полной проектной откопке котлована вертикальное смещение тоннеля превышает допустимое.

Рис. 6. Сопоставление положений тоннеля до и после его деформирования и его вертикальные смещения (а); смещения тоннеля вверх на разных этапах создания над ним котлована (б)

Исследование защитных мер для обеспечения безопасности тоннеля при строительстве котлована

Из приведенного выше анализа видно, что без принятия защитных мер максимальная величина подъема тоннеля составляет 23,11 мм, что превышает допустимую деформацию 20 мм в соответствии с китайским национальным стандартом по мониторинговым измерениям в сфере городского железнодорожного транспорта GB 50911-2013. Чтобы обеспечить безопасность существующего тоннеля, необходимо вовремя принять защитные меры, такие как приложение нагрузки на его дно (величиной 70 кПа) и укрепление вмещающего его грунта путем инъекционной цементации. Поперечное сечение требующего усиления грунта вокруг тоннеля показано на рисунке 7.

Рис. 7. Поперечное сечение котлована, тоннеля и грунта, требующего укрепления. Размеры указаны в миллиметрах

На рисунке 8 показаны вертикальные смещения тоннеля после откопки котлована в случае принятия защитных мер. Видно, что максимальный подъем тоннеля непосредственно под дном котлована благодаря защитным мерам сильно уменьшился – с 23,11 мм до 4,86 мм.

Рис. 8. Вертикальные смещения тоннеля после откопки котлована в случае принятия защитных мер

На рисунке 9 сопоставлены максимальные вертикальные смещения тоннеля после откопки котлована при принятии защитных мер и без них. Из графиков видно, что независимо от принятия защитных мер общие тенденции к подъему тоннеля в процессе создания котлована согласуются друг с другом. Но все же в результате укрепления грунта вокруг тоннеля и приложения нагрузки на дно тоннеля его максимальный подъем после откопки котлована уменьшился с 14,37 мм до 4,86 мм, то есть эффект защитных мер очевиден и они могут значительно увеличить безопасность тоннеля метро в процессе строительства над ним котлована.

Рис. 9. Максимальные вертикальные смещения тоннеля после откопки котлована при принятии защитных мер и без них

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОНИТОРИНГА ПОВЕДЕНИЯ ТОННЕЛЯ ВО ВРЕМЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НАД НИМ КОТЛОВАНА

Чтобы обеспечить безопасность существующего тоннеля метро во время строительства котлована, для этого тоннеля в зоне его прохождения под котлованом проводился мониторинг ключевых параметров (в случае принятия описанных ранее защитных мер. – Ред.).

На рисунке 10 сопоставлены результаты численного моделирования и мониторинговых измерений вертикальных смещений свода тоннеля и изменений просвета тоннеля по горизонтали. Из рисунка 10, а видно, что общие тенденции подъема тоннеля в процессе углубления котлована неплохо согласовывались друг с другом. Когда котлован был выкопан до дна, модельный подъем свода тоннеля составил 4,86 мм, а измеренный – 3,04 мм, то есть разница оказалась небольшой. Из рисунка 10, б видно, что просвет тоннеля по горизонтали в обоих случаях менялся относительно мало, но измеренные величины изменений колебались, не показывая очевидной закономерности и не согласуясь с результатами численного моделирования.

Рис. 10. Сопоставление результатов численного моделирования и мониторинговых измерений: а – для максимальных вертикальных смещений свода тоннеля; б – для максимальных изменений просвета тоннеля по горизонтали

ВЫВОДЫ

1. Поле смещений исходного грунтового массива изменяется по мере строительства в нем котлована. При этом происходит вертикальное смещение вверх существующего под котлованом тоннеля (пересекающего его наискось в плане). Наибольшее смещение происходит непосредственно под дном котлована.

2. Расчеты с помощью численного моделирования показывают, что такие защитные меры, как приложение нагрузки на дно тоннеля и укрепление грунта вокруг тоннеля, могут эффективно уменьшить его подъем в процессе строительства котлована и значительно снизить риски.

3. Результаты численного моделирования и реальных измерений показывают, что горизонтальные смещения тоннеля малы и откопка котлована мало на них влияет. Мониторинговые данные по горизонтальным смещениям тоннеля являются неупорядоченными и не показывают очевидных закономерностей деформирования.

4. Для решения сложных геотехнических задач численные расчеты (например, в программе midas GTS NX .– Ред.) могут эффективно предсказать реальные проблемы, связанные с деформациями, и дать некоторые ориентиры для проектирования и строительства.

-

Работа выполнена при поддержке Ключевого научно-исследовательского проекта провинции Шаньдун № 2018GSF120010, Цзинаньского научно-технического проекта № 201705015, Проекта планирования № KY011 Департамента строительства провинции Шаньдун.

ИСТОЧНИК ДЛЯ ПЕРЕВОДА

1. Liu Chen Yang, Liu Jun Yan, Wu Yong Zhen, Liu Yong. Analysis on the influence of excavation close-range foundation pit on existing tunnel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Volume 423. 4th International Conference on Applied Materials and Manufacturing Technology, 25–27 May 2018, Nanchang, China. P. 012026. doi:10.1088/1757-899X/423/1/012026.

SOURCE FOR THE TRANSLATION

1. Liu Chen Yang, Liu Jun Yan, Wu Yong Zhen, Liu Yong. Analysis on the influence of excavation close-range foundation pit on existing tunnel. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Volume 423. 4th International Conference on Applied Materials and Manufacturing Technology, 25–27 May 2018, Nanchang, China. P. 012026. doi:10.1088/1757-899X/423/1/012026.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АВТОРАМИ ПЕРЕВЕДЕННОГО ДОКЛАДА [1]

Huang Hongwei, Huang Xu, Schweiger F. Helmut. Numerical analysis of the influence of deep excavation on underneath existing road tunnel // China Civil Engineering Journal. 2012. Vol. 3. P. 182–189.

Burford D. Heave of tunnels beneath the shell center, London, 1959–1986 // Geotechnique. 1988. Vol. 38. № 1. P. 135–137.

Chang C. T., Sun C. W., Duann S. W., et al. Response of a taipei rapid transit system (TRTS) tunnel to adjacent excavation // Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research. 2001. Vol. 16. № 3. P. 151–158.

Feng Aijun, Lu Fang. Statistics of urban rail transit in mainland China, 2017 // Tunnel Construction (Chinese – English). 2018. Vol. 38. № 3. P. 514–517.

Liu Siqin, Yu Xiaolin, Yan Quansheng. Numerical simulation analysis for influence of overhead excavation on existing MTR // Guangdong Architecture Civil Engineering. 2009. Vol. 6. P. 19–20.

Zhang Junfeng, Wang Jianhua, Wong Qipinf. Nonlinear rheological analysis on tunnel displacement induced by adjacent excavation in soft clay // Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering. 2012. Vol. 34. № 3. P. 10–15.