Численное моделирование геомеханических процессов при строительстве перегонных тоннелей Московского метрополитена

Д.Ж. Акматов, А.А. Тихонов, Д.З. Каппушев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2022 стр. 133-137

Резюме: Крупнейший мегаполис и главный деловой центр страны – г. Москва – каждый год активно расширяет свои границы. В связи с этим перед столицей России стоит вопрос развития и расширения транспортной инфраструктуры. Согласно плану строительства Московского метрополитена в 2021 г. общая протяженность линий превысит 450 км, а большая кольцевая линия станет одной из самых протяженных в мире. При строительстве новых станций метро специалисты сталкиваются со сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. Снижение и предотвращение аварий при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства. В статье представлен комплексный анализ факторов, влияющих на выбор и обоснование технологии строительства подземных сооружений. Приведены цели геомеханического мониторинга и мероприятия по геомеханической безопасности горных работ. Было произведено численное моделирование геомеханических процессов при строительстве перегонных тоннелей в программном продукте Map3D. При выполнении моделирования рассматривался тоннель круглого поперечного сечения, расположенный в неоднородном породном массиве. Диаметр сечения принят равным 6 м, глубина перегонного тоннеля – от 15 до 35 м.

Ключевые слова: геомеханика, геомеханические процессы, физико-механические свойства грунтов, подземное пространство, геологические и гидрогеологические условия, деформация

Для цитирования: Акматов Д.Ж., Тихонов А.А., Каппушев Д.З. Численное моделирование геомеханических процессов при строительстве перегонных тоннелей Московского метрополитена. Горная промышленность. 2022;(1):133–137. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-1-133-137

Информация о статье

Поступила в редакцию: 19.12.2021

Поступила после рецензирования: 09.02.2022

Принята к публикации: 11.02.2022

Информация об авторах

Акматов Дастан Женешбекович – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Тихонов Алексей Анатольевич – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Каппушев Динислам Замирович – аспирант кафедры геотехнологии освоения недр (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Крупнейший мегаполис и главный деловой центр России – г. Москва – каждый год активно расширяет свои границы. В связи с этим перед столицей нашей страны стоит вопрос развития и расширения транспортной инфраструктуры. Согласно плану строительства Московского метрополитена в 2021 г. общая протяженность линий превысит 450 км, а большая кольцевая линия станет одной из самых протяженных в мире. При строительстве новых станций метро в условиях масштабной инфраструктуризации специалисты сталкиваются со сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. Нередко плохая изученность геологических и гидрогеологических условий приводит к инцидентам и авариям на производстве. Для своевременного выявления и недопущения производственных аварий маркшейдерская служба проводит наблюдения за безопасной эксплуатацией недр. Снижение и предотвращение аварий при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации сооружения.

Цель исследования – выполнить численное моделирование геомеханических процессов при строительстве перегонных тоннелей Московского метрополитена.

Моделирование было произведено в программном продукте Map3D. При его выполнении рассматривался тоннель круглого поперечного сечения, расположенный в неоднородном породном массиве, диаметр которого принят равным 6 м, а глубина перегонного тоннеля – от 15 до 35 м. Для выполнения моделирования необходимо провести комплексный анализ факторов, влияющих на выбор и обоснование технологии строительства подземных сооружений, а также определить цели геомеханического мониторинга и мероприятия по геомеханической безопасности горных работ.

Аварии при подземном строительстве

Аварии, случившиеся в Москве при подземном строительстве станций и перегонных тоннелей метрополитена, всегда оказывали разрушительное влияние на инженерные сооружения, автотранспортные магистрали и другие объекты инфраструктуры.

Не обошлось без аварийных ситуаций и при строительстве в северо-западной части Москвы – в промышленной зоне произошло обрушение инженерного сооружения (автосервиса). Именно под этим объектом велось строительство камеры для металлоконструкций, что и привело к оседанию земной поверхности и в дальнейшем к обрушению (рис. 1).

Рис. 1 Участок Шелепиха – Хорошёвская

Fig. 1 The Shelepikha– Khoroshevskaya section

Вторая авария произошла в западной части Москвы, был частично разрушен тоннель с последующим затоплением. На земной поверхности в месте обрушения тоннеля можно было наблюдать просадку грунта. Затопленный тоннель получил необратимые деформации, в связи с чем требовалась полная переборка аварийного участка тоннеля со строительством ремонтной камеры (рис. 2).

Рис. 2 Участок Шелепиха – Хорошёвская

Fig. 2 The Borovskoye shosse- Solntsevo section

Третья авария произошла на Южном участке Третьего пересадочного контура. На территории, принадлежащей ПАО «Газпром», расположенной по адресу: ул. Наметкина, д. 16, 29.06.2020 года при проходке левого перегонного тоннеля от ст. «Зюзино» до ст. «Калужская» была обнаружена просадка дневной поверхности, повреждены существующие ограждения и конструкции в районе парковой зоны (рис. 3).

Рис. 3 Участок Зюзино – Калужская

Fig. 3 The Zyuzino-Kaluzhskaya section

Негативным фактором при строительстве подземных сооружений являются деформации земной поверхности. Они происходят из-за изменений напряженного состояния массива. Деформации оказывают негативное влияние на здания и сооружения, расположенные в зоне ее влияния.

Большая проблема, которую пытаются решать маркшейдеры – это влияние геомеханических процессов при одновременном строительстве подземных и наземных сооружений. Сложность проблемы заключается в том, что в один и тот же момент времени происходит процесс уплотнения и разуплотнения грунта. Данные процессы при не- качественном расчете могут привести к аварии в одном случае и чрезмерно завышенном запасе точности – в другом [1].

Провалы земной поверхности, такие как на рис. 3, являются следствием геомеханических процессов, вызванных деформацией горных выработок. Прочная порода, залегающая у земной поверхности, создает так называемый эффект «порода моста». Под его влиянием геомеханические процессы происходят не сразу, а с большим отставанием во времени. При достижении предельных деформаций происходит внезапное обрушение породы, что и приводит к провалам, представленным ранее [1].

Расчет возможных зон проявления провалов

Для расчета возможных зон проявления провалов необходимо проводить геомеханические работы, такие как оценка состояния массива горных пород. Данный расчет производится на основании геологических данных, свойств толщи и тектоники района. Оценка устойчивости пород определяется по формуле [1]:

,

где

ƞ – безразмерная величина;

γ – плотность породы, т/м³;

Н – глубина горных работ;

R_M – прочность пород на сжатие в массиве, т/м².

Поэтому для предварительной оценки устойчивости пород при проходке горной выработки рекомендуется использовать следующие соотношения: если Ƞ < 1, массив находится в устойчивом состоянии, при Ƞ = 1 он находится в предельном состоянии, а при Ƞ > 1 – в запредельном, неустойчивом состоянии [1].

Отличным примером решения задачи оседания земной поверхности будет строительство перегонного тоннеля метрополитена на участке Зюзино – Калужская в г. Москве (рис. 3).

Было выполнено численное моделирование тоннеля, расположенного в неоднородной среде, диаметром 6 м и глубиной залегания от 15 до 35 м.

Для проведения данных работ необходимо подобрать подходящее программное обеспечение. Нами было выбрано ПО Map3D. Оно разработано с использованием метода косвенных граничных элементов и включает одновременное использование фиктивной силы (FF), неоднородности смещения (DD) и специальных патентованных граничных элементов.

Физико-механические свойства грунтов согласно данным инженерно-геологических изысканий представлены в табл. 1. Параметры моделей среды подбирались с учетом этих данных.

Рис. 4 Результаты расчета напряжений и деформации сдвига горных пород: а – наибольшие главные и касательные напряжения; б – максимальная деформация сдвига; в – главные наибольшие деформации; г – суммарное смещение

Fig. 4 Calculation results for rock stresses and shear strains: а – the highest principal and shear stresses; б – the maximum shear strain; в – the main ultimate strains; г – total displacement

Моделирование позволило получить картины напряжённо-деформированного состояния горного массива, представленные на рис. 4. Без детального анализа можно сказать, что максимальные деформации образуются на стенках выработки, рис. 4, б и 4, в. На рис. 4, г в лотковой части деформация ниже по сравнению с деформациями массива в сводной части. В кровле и почве выработки образуются растягивающие напряжения pH (к – коэффициент концентрации растягивающих напряжений, рис. 4, а), которые по мере удаления от контура уменьшаются до нуля, а затем переходят в сжимающие и постепенно достигают величины, соответствующей напряжению в нетронутом массиве. Данная картина позволяет сказать, что деформации массива в зонах провалов являются некритичными и соответствуют ожидаемым.

При математическом расчете ожидаемых деформаций, когда значения оказываются больше допустимых, необходимо применять методы управления геомеханическим состоянием массива. Данный метод подразумевает совокупность научных приемов и операций, позволяющих в процессе освоения недр изменять строение и состояние массива горных пород, а также задавать направления процессов развития деформаций, разрушения и фильтрации подземных вод [2].

В зависимости от физико-механических свойств пород, их залегания и подземных вод земные сдвижения на поверхности происходят по-разному. Например, при продвижении тоннеля проходческого комплекса динамично развиваются трещины вдоль лобовой части, тем самым создавая фильтрационный поток подземных вод в сторону забоя, изменяя физико-механические свойства горных пород. Все это приводит к поиску решения данной задачи, к новым научным идеям, так как существующие методы (защитные меры), к примеру, водопонижение или замораживание, являются несообразными [3].

Искусственное водопонижение в строительстве подземных сооружений сопровождается деформациями и сдвижением поверхности земли. При водопонижении происходит суффозия, вынос частиц грунта из массива пород и их перераспределение, что приводит к деформационным процессам [3].

Также деформационные процессы происходят при замораживании грунтов. При замораживании происходит процесс пучения грунта из-за увеличения объема. Подъем земной поверхности негативно влияет на здания и сооружения, находящиеся в зоне ее влияния, а при оттаивании породы оседают и образуются провалы на земной поверхности, что ведет к нарушению прочностных свойств зданий и сооружений [4].

С перечисленными выше проблемами постоянно сталкиваются специалисты при работе. Решение таких проблем должно базироваться на знании природы и геомеханических процессов горных пород [5].

Маркшейдерские наблюдения за сдвижением земной поверхности, как правило, фиксируют конечную стадию этих процессов, основное развитие которых происходит в массиве горных пород. А в случае когда ближе к земной поверхности залегают более прочные породы, могут вообще не зафиксировать деформаций земной поверхности.

Для своевременного выявления деформирования массива горных пород, т.е. до выхода предельных деформаций на дневную поверхность, наряду с маркшейдерскими измерениями, проводимыми на земной поверхности, необходимо производить инструментальные измерения деформаций массива горных пород в специальных наблюдательных скважинах с закладкой глубинных реперов (рис. 5). Геомеханический мониторинг, организуемый по данной схеме, способен заблаговременно зафиксировать развитие деформационных процессов над горными выработками, до их негативного проявления на земной поверхности, и тем самым обеспечить запас времени для проведения специальных защитных и профилактических мероприятий (например, укрепление грунтов с помощью jet grouting), направленных на недопущение катастрофического развития событий [6].

Рис. 5 Схема наблюдательной станции Fig. 5 Схема наблюдательной станции

Пути решения проблемы повышения безопасности освоения подземного пространства городов лежат в установлении закономерностей развития геомеханических процессов и зависимостей их параметров от основных влияющих факторов при техногенном преобразовании недр [7]. Для этого необходимо прежде всего объединить усилия специалистов, занимающихся этой проблемой, с таким расчетом, чтобы инструментальные наблюдения за развитием геомеханических процессов выполнялись по единой методике, с одинаковой точностью, периодичностью и соблюдением других требований, открывающих широкие возможности научного обобщения большого объема инструментальных наблюдений, проводимых в различных условиях.

Заключение

Таким образом, снижение и предотвращение аварий при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации сооружения.

Список литературы

1. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика. 2-е изд. М.: Издательство МГГУ; 2008. 438 с.

2. Казикаев Д.М., Козырев А.А., Каспарьян Э.В., Иофис М.А. Управление геомеханическими процессами при разработке месторождений полезных ископаемых. М.: Горная книга; 2016. 490 с.

3. Баклашов И.В., Картозия Б.А., Шашенко А.Н., Борисов В.Н. Геомеханика. М.: Горная книга; 2004. Т. 1, 208 с. Т. 2, 249 с.

4. Передельский Л.В., Приходчен О.Е. Инженерная геология. М.: Феникс; 2009. 465 с.

5. Thai G. Predicting Subsidence Resulting from Tunnel Excavation. 2010. Available at: http://hdl.handle.net/10012/5631

6. Yu C., Zhou A., Chen J., Arulrajah A., Horpibulsuk S. Analysis of a tunnel failure caused by leakage of the shield tail seal system. Underground Space. 2020;5(2);105–114. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2018.11.003

7. Акматов Д.Ж., Николайчук В.В., Тихонов А.А., Шевчук Р.В. Радарная интерферометрия как дополнение к классическим методам наблюдений за сдвижением земной поверхности. Горная промышленность. 2020;(1):144–147. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-144-147