Напряженно-деформированное состояние системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом

В последнее десятилетие крупнейшие города Российской, Федерации проходят новый этап развития транспортной системы. Рост темпов урбанизации, увеличение объемов жилищного и коммунального строительства, резкий рост числа автомобилей (за последние 10 лет только в Москве парк автомобилей увеличился в 4 раза и составил более 3 млн. ед.) обусловливают необходимость быстрого развития дорожно-транспортной сети, возведения новых транспортных сооружений, в том числе автотранспортных тоннелей[33,39].

Необходимость строительства тоннелей в городах чаще всего возникает в связи с реконструкцией существующих и созданием новых скоростных дорог и магистралей непрерывного движения. При этом пропускная способность обычного перекрестка, на котором пересекаются транспортные потоки высокой интенсивности, становится недостаточной и приводит к заторам и ухудшению экологической обстановки.

При строительстве тоннелей и других подземных транспортных сооружений мелкого заложения во многих случаях применяют открытые или полуоткрытые способы, работ, предусматривающие полное или частичное вскрытие земной поверхности [36].

Строительство тоннелей мелкого заложения в условиях плотной городской застройки и высокоинтенсивного дорожного движения открытым способом связано с необходимостью изменения организации движения транспорта и пешеходов в районе строительства, закрытием пересекаемых магистралей и другими нарушениями поверхностных условий.

С целью минимизации этих нарушений в практике тоннелестроения находят применение различные модификации полуоткрытого способа, предусматривающие, в первую очередь, возведение конструкций по технологии «стена в грунте» или из буровых свай, на которые опирают перекрытие тоннеля. После обратной засыпки перекрытия восстанавливают поверхностные условияа затем закрытым способом разрабатывают грунтовое ядро и возводят лотковую плиту [34].

С помощью полуоткрытого способа построены многочисленные транспортные тоннели^ мелкого заложения, в. крупнейших городах Европы, Америки и Японии. Например, в Москве таким способом построены автотранспортные тоннели на Проспекте Мира, на Ленинском проспекте, многофункциональные подземные комплексы на Манежной площади и Софийской набережной и др. 29−89].

Применение полуоткрытых способов в стесненных градостроительных и транспортных условиях сопряжено, с целым рядом конструктивных и технологических проблем. Имеется в виду выбор рациональных конструкций: тоннелей и технологической* последовательности их возведения, а также методов их расчета на различных этапах строительства и* эксплуатации1 с учетом конкретных инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Для* этого необходимо5 проведение теоретических и экспериментальных исследований, взаимодействия конструкций^ тонне ля с окружающим грунтовым массивом. По результатам исследований должны быть разработаны рекомендации практического характера для использованияв процессе проектированиятоннелей.

Актуальность работы.

Актуальность диссертационной работы обусловлена расширением масштабов использования подземного пространства длярешения городских транспортных проблем, а также необходимостью подземного строительства в условиях высокоинтенсивного уличного движения:

Применение полуоткрытого способа работ позволяет вести строительство подземного сооружения с меньшим, по сравнению с открытым способом, перерывом движения на поверхности земли, и в-некоторых случаях позволяет избежать, необходимости устройства и демонтажа ограждающих конструкций за счет включения последних в состав постоянной, конструкции1 тоннеля. Однако некоторые вопросы, касающиеся взаимодействия грунтового массива, с конструкцией тоннеля на всех этапах строительства с учетом пространственной работы строящегося" сооружения изучены недостаточно. В связи с этим возникает необходимость проведения научных исследований.

Цель и задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив"1 на различных этапах строительства тоннеля полуоткрытым способом с учетом конструктивно-технологических особенностей и инженерно-геологических условий.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

• анализ технических решений, используемых при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом;

• разработка пространственных конечно-элементных моделей системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» для различных модификаций полуоткрытого способа с учетом технологии строительства;

• проведение численных экспериментов на. разработанных моделях для выявления. НДС системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» на этапах строительства и эксплуатации тоннеля;

• установление зависимостей, характеризующих, изменение выбранных параметров НДС системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» в. зависимости от варьируемых факторов;

• разработка рекомендаций по применению, различных типов конструкций автотранспортных тоннелей мелкого заложения, сооружаемых полуоткрытым способом.

Под понятием «конструкция тоннеля — грунтовый массив» подразумевается бинарная система взаимодействия тоннельной обделки с окружающим грунтом.

Методика исследований.

В основу исследований заложен комплексный подход к решению поставленной задачи, включающий научный, анализ и обобщение материалов по применению полуоткрытого способа строительства, тоннелей мелкого заложения. При этом все этапы строительства рассматриваются во взаимной связи.

Для проведения теоретических исследований НДС бинарной системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» использован метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программных комплексах PLAXIS и PLAXIS 3D TUNNEL. Для обработки результатов исследований применялись методы математической статистики.

Научная новизна работы:

• впервые в РФ разработаны пространственные конечно-элементные модели применительно к рассматриваемым в работе модификациям полуоткрытого способа работ с учетом технологии строительства автотранспортных тоннелей мелкого заложения;

• проведены теоретические исследования методом математического моделирования, по результатам которых выявлены закономерности в изменении параметров' НДС системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив»;

• проведен сравнительный анализ деформаций поверхности земли и усилий в элементах конструкции тоннелей для различных технологий полуоткрытого способа работ;

• определена рациональная* область применения разновидностей полуоткрытого способа работ.

Практическая ценность работы:

• методика и результаты математического моделирования системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» на разработанных конечно-элементных моделях;

• прогнозирование деформаций поверхности земли и усилий в конструкциях тоннелей с учетом технологии их строительства;

• рациональная область применения различных модификаций полуоткрытого способа строительства автотранспортных тоннелей мелкого заложения в соответствии с конкретными градостроительными и инженерно-геологическими условиями.

Достоверность полученных результатов обоснована:

• строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

• соблюдением требований действующих нормативных документов;

• использованием методических разработок ведущих отечественных и иностранных компаний в рассматриваемой области;

• результатами тестовых расчетов.

На защиту выносятся:

• результаты анализа отечественного и зарубежного опыта применения полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения;

• пространственная конечно-элементная модель системы «конструкция» тоннеля — грунтовый массив", реализованная с использованием программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL»;

• результаты численного эксперимента системы «конструкция тоннелягрунтовый массив»;

• рациональная область применения различных технологий полуоткрытого способа строительства тоннелей-* мелкого заложения, определенная на основе анализа результатов численного эксперимента.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

• при разработке вариантов проектных решений по строительству подземных сооружений мелкого заложения в ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЭСТ»;

• в учебном процессе кафедры мостов и транспортных, тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Апробация работы.

Результаты работы были доложены на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в 2008, 2009 и 2010 гг. и в Филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и метрополитены» в 2010 г. Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях:

1. Зиборов М. А. Особенности строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). — 2008. — С. 75−79.

2. Зиборов М. А. Напряженно-деформированное состояние системы «обделка-грунт» в различных модификациях полуоткрытого способам строительства тоннелей мелкого заложения. // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). — 2009. — С. 80−86.

3. Зиборов М. А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив». // Транспортное строительство, № 11. М., 2009: — С. 20−22.

4. Зиборов М: А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля — грунтовыймассив» с учетом технологии производства работ. // Наука и техника в дорожной отрасли, № 1. — М., 2010.

Структура и объем работы.

Диссертация содержит 117 стр., 57 иллюстраций, 11 таблиц и включает введение, 3 главы, заключение, список литературы из 97 наименований и приложение:

3.6. Выводы по главе.

На основании анализа результатов исследований, приведенных в данной главе, можно сделать следующие выводы.

1. Выполненные исследования НДС системы «конструкция тоннеля грунтовый массив» позволили оценить для различных модификаций полуоткрытого способа влияние отдельных факторов (тип грунта, тип конструкции, технология производства работ, положение уровня грунтовых вод) на осадку поверхности грунтового массива и на усилия в конструкциях тоннелей. Обработаны методами математической статистики и.

96 проанализированы 72 серии численных экспериментов, в которых варьировались относительная глубина заложения, тоннеля" (hJBm) и положение уровня грунтовых вод, а также технологии производства, работ.

2. Методом тренд-анализаполученызависимостипозволяющие оценить в вариантах конструктивно-технологических решений^ влияние отдельных факторов на возможные осадки поверхности земли и на. значения коэффициента запаса прочности в характерных сечениях конструкции тоннеля.

3. При, использовании технологии строительства тоннелейпредусматривающей возведение стен тоннелей в качестве ограждающих конструкций-, доходящих до поверхности землив несвязных грунтах максимальнаядеформация грунтового массива увеличивается-.по сравнению с траншейным способом на 25.35% в конструкциях с плоским перекрытием и на.20.30% - с арочным. В-связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным, на 10:. 15% вконструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25. .35% при арочном перекрытии.

4. Форма перекрытия не влияет на деформированное состояние грунтового массива при использовании «зиллертальской» технологии. При повышении уровня, грунтовых вод от нижнего торца стены до перекрытия для, конструкций. тоннелей со^ стенами, доходящими до, поверхности земли, в несвязных грунтах максимальная деформация поверхности* земли при. траншейном способе уменьшается на 30.40%, при «зиллертальском» — на- 25%.

5. Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах не влияет на коэффициент запаса прочности в узле примыкания перекрытия^ к стене тоннеля, в, конструкциях с плоским: перекрытием: При этом применение арочного перекрытия увеличивает значение данного коэффициента в конструкции состенами-, доходящимидо поверхности земли, на<�Л5% призначениях относительной* глубины заложения больших.

0,45. В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на данный коэффициент запаса. В связных и несвязных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, при повышении уровня грунтовых вод от уровня низа стены до верха перекрытия не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее 10%).

6. Для ограничений деформаций грунтового массива в несвязных грунтах при относительной глубине заложения 0,15.0,6 целесообразно традиционную технологию строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. В связных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15.0,45 целесообразно использовать «зиллертальский» способ с плоским перекрытием, при 0,3. .0,6 — с арочным перекрытием.

7. Для обеспечения максимального коэффициента запаса прочности в несвязных грунтах при относительной глубине заложения 0,15−0,45 целесообразно применять траншейный и «зиллертальский» способыпри 0,45−0,6 — «зиллертальский» способ с арочным перекрытием. В связных грунтах при относительной глубине заложения 0,15−0,45 целесообразно применять как траншейный способ, так и технологию, предусматривающую возведение стен до поверхности землипри 0,3−0,6 — также оба типа конструкции с арочными перекрытиями.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты, выводы, и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем.

1. Современный мировой опыт применения, различных модификаций полуоткрытого способа строительства городских тоннелей мелкого заложения' показал эффективность его использования вследствие быстрого восстановления поверхностных условиш Анализ конструктивно-технологических решений и технико-экономических показателей строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом свидетельствует о том, что его применение наиболее эффективнои экономично в. полускальных и мягких грунтах средней, и, слабой, устойчивости при глубине заложения, тоннеля 2.12 м. Так, при увеличении глубины заложения с 2 до 9 м снижение относительной стоимости строительства тоннеля полуоткрытым способом по сравнению с открытым достигает 80%,. а с 9 до< 12 м. — от 80 до 75%. Сравнительный анализ, стоимости, строительства 1 п.м. тоннелейсооружаемых по различным технологиям, показал, что наиболее экономичным является «зиллертальский» метод, стоимость которого на 10. 15% ниже, чем* для других модификаций полуоткрытого способа.

2. Для обоснования"рациональных геометрических и конструктивно-технологических параметров! различных модификацийполуоткрытого способа выполнены исследования пространственного напряженно-деформированного состояния бинарной системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» на всех стадиях производства работ. Для расчета данной' системы в диссертации использован метод конечных элементов, реализованный' в программном комплексе «PLAXIS 3D TUNNEL», что позволило выполнить, пространственные расчеты с учетом технологии строительства.

3. На разработанной автором диссертациипространственной конечно-элементной модели системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив».

99 были проведены 72 серии численных экспериментов применительно * к различным модификациям полуоткрытого способа. При этом варьировались такие факторы как относительная глубина заложения тоннеля, положение уровня грунтовых вод, инженерно-геологические условия, тип конструкции тоннеля и технологическая последовательность строительства.

4. В г результате анализа данных численных экспериментов было установлено, что наибольшие деформации грунтового массива возникают в области, прилегающей к ограждению котлована или к стене тоннеля, доходящей до поверхности земли. Поэтому в качестве определяющих параметров деформированного состояния системы были выбраны максимальные значения" вертикальных деформаций поверхности земли в указанной области. Изменения значений* усилий в конструкциях тоннелей фиксировались в шести сечениях. Для оценки работы конструкции тоннеля был принят коэффициент запаса прочности- (отношение несущей способности сечения к действующим в нем усилиям), рассчитанный для соответствующего сечения.

5. Обработка результатов исследований методами математической статистики позволила получить численные и графические зависимости, дающие возможность оценить для различных модификаций полуоткрытого способа влияние относительной глубины заложения и инженерно-геологических условий на возможные деформации грунтового массива и на" значения коэффициента запаса прочности в, выбранном' сечении. Данные зависимости показывают, что применение «зиллертальского» способа в несвязных грунтах приводит кувеличению максимальной деформации грунтового массива по сравнению с траншейным способом на 25.35% в конструкциях с плоским перекрытием и на 20.30% - с арочным. В связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным на 10.15% в конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25.35% при арочном перекрытии.

6. При повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха перекрытия тоннеля в несвязных грунтах деформация поверхности земли при «зиллертальском» способе снижается на 30%, при траншейном — на 40%. В связных грунтах изменение данного фактора не оказывает существенного влияния на максимальные деформации грунтового массива.

7. Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах увеличивает значение коэффициента запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля на 15% по сравнению с траншейным способом при значениях относительной глубины заложения больших 0,45. В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на коэффициент запаса прочности. В связных и несвязных грунтах применение стендоходящих до поверхности земли, при повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха, перекрытия, не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее. 10%).

8. На основе данных проведенных исследований установлена целесообразная область применения каждой, из модификаций полуоткрытого способа работ в зависимости от инженерно-геологических условий и относительной глубины заложения тоннеля /г/В (где h — глубина заложенияВ — ширина. тоннеля). Траншейный способ с плоским перекрытием, наиболее эффективен в связных и. несвязных грунтах при h/B=0,15.0,45, с арочнымв несвязных грунтах при h/B=0,3.0,6 и в связных грунтах при h/B=0,3.0,45. Целесообразная область применения «зиллертальского» способа с плоским перекрытием — связные грунты' при h/B=0,15.0,45, несвязные — при h/B=0,3.0,45- с арочным перекрытием — связные и несвязные грунты при h/B=0,3. .0,6.

Полученные в результате проведенных исследований выводы и рекомендации призваны расширить масштабы применения полуоткрытых.

101 способов работ в тоннелестроении и использовать полученные зависимости при принятии научно обоснованных конструктивных и технологических решений в процессе проектирования и строительства городских тоннелей мелкого заложения.