Моделирование влияния деформаций породного массива на перегонные тоннели глубокого заложения линии метрополитена

С.А. Жуков¹, М.А. Бубнов², Н.С. Наумов^3
1 АО «Мосинжпроект», г. Москва, Российская Федерация
² Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, г. Москва, Российская Федерация
³ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №5S / 2024 стр.190-196

Резюме: В статье рассмотрено влияние подвижек грунтового массива на перегонные тоннели глубокого заложения линии метрополитена. В основу исследования легли данные, полученные при натурном обследовании участка тоннеля, подвергшегося нештатной ситуации. Смещения массива, вмещающего тоннель, в период эксплуатации последнего могут происходить из-за нарушения режима подземных вод, вызванного обильными водопритоками к тоннельной выработке. Причиной деформации перегонных тоннелей в процессе их эксплуатации могут быть также карстовые пустоты, особенно заполненные водой, что повлечет прорыв воды в тоннель. Если эти пустоты заполнены рыхлыми отложениями, то это тоже может послужить причиной появления значительных местных нагрузок на обделку. Для оценки возможности горизонтального смещения тоннелей проведен ряд численных экспериментов, которые предполагали моделирование вмещающего тоннель участка грунтового массива протяженностью 25 м. На первом этапе проводилось моделирование усадки грунта в условиях постепенной проходки тоннеля щитовым способом, на втором – фронта горизонтальных смещений. Установлены зависимости смещения обделок от расстояния до фронта смещения породного массива. При проведении численных экспериментов установлено, что основные геологические процессы, которые могли привести к деформации тоннелей, происходили на расстоянии более 20 м от кромки одного из них.

Ключевые слова: метрополитен, перегонный тоннель, смещение массива, грунтовый массив, численное моделирование

Для цитирования: Жуков С.А., Бубнов М.А., Наумов Н.С. Моделирование влияния деформаций породного массива на перегонные тоннели глубокого заложения линии метрополитена. Горная промышленность. 2024;(5S):190–196. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-190-196

Информация о статье

Поступила в редакцию: 27.08.2024

Поступила после рецензирования: 23.10.2024

Принята к публикации: 26.10.2024

Информация об авторах

Жуков Сергей Анатольевич – генеральный директор, АО «Мосинжпроект», г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0007-6492-6696; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Бубнов Михаил Александрович – кандидат технических наук, доцент, передовая инженерная школа, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0006-5041-8597

Наумов Максим Сергеевич – ведущий инженер отдела, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0000-1148-1530

Введение

В процессе строительства и эксплуатации к тоннелям метрополитена предъявляются повышенные требования по контролю напряженно-деформированного состояния (НДС). Свойства грунтового массива, в первую очередь степень его водонасыщения, прочность и ползучесть, играют ключевую роль в характере формирования и изменения НДС вокруг тоннеля. В водонасыщенном грунте напряжения растут со временем, пока не достигнут периода стабилизации за счет консолидации породного массива и рассеивания его избыточного порового давления. Так, согласно исследованию [1; 2] в водонасыщенных несвязных грунтах (песках) преобладают релаксационные процессы, в водонасыщенных связных породах типа глин – консолидационно-релаксационные. Эти факторы необходимо учитывать при расчетах.

Рассмотрим участок перегонного тоннеля одной из линий метрополитена, на котором произошла нештатная ситуация.

На рассматриваемом участке зафиксированы существенные деформации грунтового массива, которые привели к смещению осей тоннелей. Процесс смещения спровоцировал локальные деформации обделки, которые привели к изменению габаритных размеров тоннеля и невозможности прохождения по нему метропоезда.

Основные теоретические предпосылки

Для проведения исследования нами выбраны контрольные точки, для того чтобы проследить, как развиваются линейные деформации, возникающие по всем направлениям, а также угловые деформации, возникающие на всех площадках, которые проходят через точку деформируемого грунтового массива.

Полученные в результате обследования данные говорят о существенном искривлении оси тоннеля на участке протяженностью 150–300 м. Данные проведенных съемок представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1 График деформации обделки I пути: ось Y – размерность в миллиметрах, ось X – точка разметки расстояния на железнодорожных линиях (метры)

Fig. 1 Graph of lining deformation in Track No.I. Y-axis: dimension in millimetres, X-axis: distance marking point of the railway lines (metres)

Рис. 2 График деформации обделки II пути: ось Y – размерность в миллиметрах, ось X – точка разметки расстояния на железнодорожных линиях (метры)

Fig. 2 Graph of lining deformation in Track No.II. Y-axis: dimension in millimetres, X-axis: distance marking point of the railway lines (metres)

Учитывая протяженность и величину участка смещения грунтового массива, было выдвинуто предположение о сопоставимости величины смещений в массиве с размерами рассматриваемого участка, т.е. не менее 300 м в поперечнике.

Обделка тоннелей метрополитена работает в условиях неопределенности [3–5], прежде всего в части нагрузок, действующих на несущие конструкции, а также многообразия условий эксплуатации подземного объекта, которые бывает сложно оценить только качественными или количественными величинами.

Смещения массива, вмещающего тоннель, в период эксплуатации последнего могут происходить из-за нарушения режима подземных вод [6; 7], вызванного обильными водопритоками к тоннельной выработке.

Причиной деформации перегонных тоннелей в процессе их эксплуатации могут быть также карстовые пустоты, особенно заполненные водой, что повлечет прорыв воды в тоннель [8]. Если эти пустоты заполнены рыхлыми отложениями, то это тоже может послужить причиной появления значительных местных нагрузок на обделку. Ситуацию осложняет то, что характеристики вмещающих тоннель пород могут меняться под воздействием целого ряда факторов, вызывая изменения и условий статической работы обделки [9–11].

Смещения участков обделки могут быть вызваны дополнительными нагрузками за счет изменения гидростатического давления подземных вод и их минерализации [12]. Увеличение минерализации грунтовых вод и их фильтрации через тело обделки влечет растворение карбоната и гидрата оксидов кальция и выщелачивания их из бетона обделки, что в значительной мере снижает ее прочность [13–15]. Изменение химической составляющей грунтовых вод сопровождается увеличением объема пород в течение весьма длительного времени. При этом возникают условия для образования плывунов и прорыва их в тоннельное пространство [16].

Численное моделирование взаимодействия породного массива с тоннельной обделкой

В настоящей работе посредством численного моделирования в программном пакете ANSYSWorkbench версии 2021R2 в модуле Staticstructural был выполнен расчёт НДС стальных труб, имитирующих скрепленные тюбинги на криволинейном двухпутном участке метрополитена. В первом приближении рассмотрен участок вмещающего грунтового массива протяженностью 150 м.

Рис. 3 Расчетная схема задачи для качественного тестирования модели

Fig. 3 A computational scheme for the problem of the model's qualitative testing

Рис. 4 Напряжения на стенке тоннелей (моделируется контакт блоков отдельных тюбингов), МПа

Fig. 4 Stresses in the tunnel wall (contact of individual tunnel vaults is modelled), MPa

Рис. 5 Перемещения сечения правой (ближней) нитки тоннелей

Fig. 5 Displacements of the right (near) tunnel line crosssection

Полученные в результате расчета данные (рис. 4, 5) позволили провести оптимизацию модели для проведения последующих численных экспериментов. В частности, были разработаны рекомендации по изменению протяженности участка вмещающего тоннель грунтового массива, эквивалентного заданию граничных и начальных условий, оптимизации сетки конечных элементов (КЭ) и др. Для оценки возможности горизонтального смещения тоннелей проведен ряд численных экспериментов, которые предполагают моделирование участка вмещающего тоннель грунтового массива протяженностью 25 м.

На первом этапе проводится моделирование усадки грунта в условиях постепенной проходки тоннеля щитовым способом. На втором этапе моделируется фронт горизонтальных смещений. Смещение фиксируется на величину 100 мм с учетом:

– смещения ключевых точек обделки тоннелей;

– разницы между соответствующими точками двух тоннелей.

Рис. 6 Общий вид расчетной модели

Fig. 6 A general view of the computational model

Расположение фронта смещения при этом варьируется между 12,5 и 27,5 м. Смещение в каждом случае фиксируется по двум направлениям (рис. 6). Ниже показан общий вид расчетной модели (вариант с фронтом смещения в 22,5 м от тоннеля), а также приведены основные результаты (рис. 7).

Рис. 7 Расположение ключевых точек (в качестве примера приведен вариант расчета при фронте смещения в 22,5 м от кромки тоннеля, направление смещения – от тоннеля)

Fig. 7 Location of the key points (as an example, a calculation option is provided for a displacement front within 22.5 m from the tunnel edge, the direction of displacement is away from the tunnel)

По данным табл. 1 были построены графики изменения положения ключевых точек в зависимости от расстояния до фронта смещения при направленности этих смещений в сторону тоннеля (рис. 8) и от него (рис. 9).

Рис. 7.1 Фронт 12,5 м, смещение по направлению к тоннелю. Здесь и в рис. 7.2–7.8: а – исходное положение ключевых точек; б – положение ключевых точек после смещения

Fig. 7.1 The 12.5 m front, displacement towards the tunnel. Here and in Figs. 7.2-7.8: а – the initial position of the key points; б – position of the key points after the displacement

Рис. 7.2 Фронт 12,5 м, смещение от тоннеля

Fig. 7.2 The 12.5 m front, displacement away from the tunnel

Рис. 7.3 Фронт 17,5 м, смещение к тоннелю

Fig. 7.3 The 17.5 m front, displacement towards the tunnel

Рис. 7.4 Фронт 17,5 м, смещение от тоннеля

Fig. 7.4 The 17.5 m front, displacement away from the tunnel

Рис. 7.5 Фронт 22,5 м, смещение по направлению к тоннелю

Fig. 7.5 The 22.5 m front, displacement towards the tunnel

Рис. 7.6 Фронт 22,5 м, смещение от тоннеля

Fig. 7.6 The 22.5 m front, displacement away from the tunnel

Рис. 7.7 Фронт 27,5 м, смещение к тоннелю

Fig. 7.7. The 27.5 m front, displacement towards the tunnel

Рис. 7.8 Фронт 28,5 м, смещение от тоннеля

Fig. 7.8 The 28.5 m front, displacement away from the tunnel

Таблица 1 Результаты численных экспериментов по определению смещений

Table 1 Results of numerical experiments on defining the displacements

Рис. 8 Зависимость изменения положения ключевых точек от расстояния до фронта смещения, при смещении в сторону тоннеля

Fig. 8 The dependence of changes in the key point locations on the distance to the displacement front, when the displacement is towards the tunnel

Рис. 9 Зависимость изменения ключевых точек от расстояния до фронта смещения, при смещении в сторону от тоннеля

Fig. 9 The dependence of changes in the key point locations on the distance to the displacement front, when the displacement is away from the tunnel

Рис. 10 Положение характерных точек

Fig. 10 Locations of the specific points

Положение характерных точек по I и II путям продемонстрировано на рис. 10.

Отсутствие ряда исходных данных обусловило большое количество допущений для решения поставленных задач. Проведенные численные эксперименты позволяют определить перечень возможных дополнительных исследований.

Выводы

В ходе проведения численных экспериментов были смоделированы условия, эквивалентные реальным условиям размещения тоннеля во вмещающих грунтах, и оценено их взаимное влияние друг на друга.

Косвенное подтверждение получила гипотеза сдвига достаточно большого участка массива грунта (по текущим оценкам, этот участок массива достигает 300 м в поперечнике).

Установлены зависимости смещения обделок от расстояния до фронта смещения породного массива.

При проведении численных экспериментов установлено, что основные геологические процессы, которые могли привести к деформации тоннелей, происходили на расстоянии более 20 м от кромки одного из них.

В дальнейшем предполагается провести исследования состояния грунтового массива в районе сдвига на расстоянии ±150 м от осей тоннелей.

Список литературы

1. Дуванский А.В. Разработка методики учета тектонических нагрузок при расчете тоннелей глубокого заложения. Строительство и техногенная безопасность. 2013;(47):56–61. Duvansky A.V. Development of a methodology to account for tectonic loads in calculation of deep tunnels. Construction and Industrial Safety. 2013;(47):56–61. (In Russ.)

2. Гуськов И.А., Пестрякова Е.А., Харитонов С.С., Титов Е.Ю. Методы оценки осадок при проходке тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов. Транспортные сооружения. 2019;6(3). https://doi.org/10.15862/18SATS319 Guskov I.A., Pestryakova E.A., Kharitonov S.S., Titov E.Yu. Methods for estimating sediment during tunneling using a mechanized tunneling. Russian Journal of Transport Engineering. 2019;6(3). (In Russ.) https://doi.org/10.15862/18SATS319

3. Куликова Е.Ю. Выработка управленческих решений в сфере безопасности подземного строительства. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(1):79–82. Kulikova E.Yu. Making of administrative decisions in the field of safety of underground building. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2014;(1):79–82. (In Russ.)

4. Алымов В.Т., Крапчатов В.П., Тарасова Н.П. Анализ техногенного риска. М.: Интеграция; 1999. 160 с.

5. Бурков В.Н., Грацианский Е.В., Дзюбко С.И., Щепкин А.В. Модели и механизмы управления безопасностью. М.: СИНТЕГ; 2001. 153 с.

6. Зиновьева О.М., Кузнецов Д.С., Меркулова А.М., Смирнова Н.А. Цифровизация систем управления промышленной безопасностью в горном деле. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(2-1):113–123. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-21-0-113-123 Zinovieva O.M., Kuznetsov D.S., Merkulova A.M., Smirnova N.A. Digitalization of industrial safety management systems in mining. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(2-1):113–123. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-14932021-21-0-113-123

7. Потапова Е.В. Типология сооружений метрополитена для задач классификации геотехнических рисков. Горные науки и технологии. 2021;6(1):52–60. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-52-60 Potapova E.V. Typology of metro structures for the tasks of geotechnical risk classification. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(1):52–60. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-52-60

8. Kulikova E.Yu., Balovtsev S.V. Risk control system for the construction of urban underground structures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;962:042020. https://doi.org/10.1088/1757-899X/962/4/042020

9. Кауфман Л.Л., Лысиков Б.А. Геотехнические риски в подземном строительстве (обзор зарубежного опыта) [под общ. ред. Л.Л. Кауфмана]. Донецк: Норд-Пресс; 2009. 362 c.

10. Гарбер В.А. Нештатные ситуации в подземных транспортных сооружениях. Подземные горизонты. 2018;(16):20–25. Garber V.A. Non-routine events in underground transport structures. Underground Horizons. 2018;(16):20–25. (In Russ.)

11. Sousa R.L. Risk analysis for tunneling projects: Thesis (Ph. D.). Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering; 2010. Available at: http://hdl.handle.net/1721.1/58282 (accessed: 13.08.2024).

12. Чунюк Д.Ю. Особенности классификации и составляющие геотехнического риска в строительстве. Промышленное и гражданское строительство. 2013;(9):42–44. Chunyuk D.Yu. Features of classification and components of geotechnical risk in construction. Industrial and Civil Engineering. 2013;(9):42–44. (In Russ.)

13. Khine P.P., Shun W.Z. Big data for organizations: A review. Journal of Computer and Communications. 2017;5(3):40–48. https://doi.org/10.4236/jcc.2017.53005

14. Reis M.S., Gins G. Industrial process monitoring in the Big Data / Industry 4.0 Era: from detection, to diagnosis, to prognosis. Processes. 2017;5(3):35. https://doi.org/10.3390/pr5030035

15. Mishra R.K., Janiszewski M., Uotinen L.K.T., Szydlowska M., Siren T., Rinne M. Geotechnical risk management concept for intelligent deep mines. Procedia Engineering. 2017;191:361–368. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.192

16. Hebblewhite B.K. Geotechnical risk in mining methods and practice: critical issues and pitfalls of risk management. In: Wesseloo J. (ed.) MGR 2019: Proceedings of the First International Conference on Mining Geomechanical Risk. Perth: Australian Centre for Geomechanics; 2019, pp. 299–308. https://doi.org/10.36487/ACG_rep/1905_17_Hebblewhite