Исследования гидравлического влияния на технологическую устойчивость метротоннеля мелкого заложения в намывных массивах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО

УДК 624.04

С. М. СТОВПНИК1*, А. Л. ГАН2*, е. А. ЗАГОРУЙКО3*, Л. В. ШАЙДЕЦЬКА4*

1 Каф. «Геобудiвництво та гiрничi технологи», Нацiональний технiчний утверситет Украши «Кшвський полiтехнiчний шститут iменi 1горя Сжорського», вул. Борщапвська, 115/3, Кшв, Украша, 03056, тел. +38 (067) 848 59 77, ел. пошта 81аи81о@1.иа, ОЯСГО 0000-0001-5664-8680

2*Каф. «Геобудiвництво та гiрничi технологи», Нацiональний технчний ун1верситет Украши «Кшвський полiтехнiчний шститут iменi 1горя Сжорського», вул. Борщапвська, 115/3, Кшв, Украша, 03056, тел. +38 (097) 653 05 66, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-0832-1338

3*Каф. «Геобудiвництво та гiрничi технологи», Нацюнальний технiчний ун1верситет Украши «Кшвський полiтехнiчний шститут iменi 1горя Сжорського», вул. Борщагiвська, 115/3, Кшв, Украша, 03056, +38 (063) 614 41 01, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-2710-3934

4*Каф. «Геобудiвництво та прниш технологи», Нацiональний технiчний ун1верситет Украши «Кшвський полiтехнiчний шститут iменi 1горя Сжорського», вул. Борщагiвська, 115/3, Кшв, Украша, 03056, тел. +38 (067) 447 59 14, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-6593-0255

ДОСЛ1ДЖЕННЯ Г1ДРАВЛ1ЧНОГО ВПЛИВУ НА ТЕХНОЛОГ1ЧНУ СТ1ЙК1СТЬ МЕТРОТУНЕЛЮ М1ЛКОГО ЗАКЛАДАННЯ В НАМИВНИХ МАСИВАХ

Мета. На основi аналiзу результатов комп'ютерного моделювання та лабораторних дослщжень у науковiй роботi необхвдно встановити залежшсть впливу змiн гiдравлiчного рiвня грунтових вод на стiйкiсть обробки тунелiв метрополiтену за рахунок розвитку деформацiй оточуючого намивного масиву. Методика. Методичну основу комплексу дослiджень складають аналiз та узагальнення вiдомих наукових результапв та практичного досввду прогнозування i попередження деформацiй обробок тунелiв та оточуючого грунтового масиву, а також комп' ютерне моделювання критичного напружено-деформованого стану обробки тунелю при змш гiдравлiчного рiвня грунтових вод. Результати. В процес технологiчного спорудження та пiд дieю безнапiрних пвдземних вод при експлуатацп тунелiв лшш метрополiтену мiлкого закладання стiйкiсть суцшьно-секцшно! обробки забезпечуеться завдяки рiвномiрному пдростатичному обтисканню обробки, при цьому освдання тунелю знаходяться в межах допустимих значень. Результати дослiджень показують, що при змiнi рiвня пiдземних вод по обидва боки тунелю може виникати рiзний пдростатичний тиск. При цьому з'являеться перерозподiл напружень грунтового масиву навколо поперечного перерiзу тунелю, а це, в свою чергу, призводить до виникнення додаткових нерiвномiрних деформацiй та розкриття трiщин обробки тунелю тд час експлуатацп. Наукова новизна. Авторами роботи вперше встановлено вплив змши пдростатичного тиску, що може виникати внаслвдок коливання рiвня шдземних вод, на суцiльно-секцiйну обробку тунелiв лiнiй метрополiтену мiлкого закладання через вторинне оадання грунту. Визначет умови виникнення вторинного осiдання грунту та встановлено характер протжання деформацш у перiод експлуатацп тунелiв мшкого закладання. Практична значимiсть. На стадп проектування лiнiй метрополiтену мiлкого закладання необхвдно враховувати можливiсть нерiвномiрного оадання вщ до гiдростатичного тиску в перюд експлуатацп. Це дозволить уникнути додаткових деформацiй у сезонний перюд, зменшити к1льк1сть поточних ремонтiв, пвдвищити надiйнiсть та збiльшити термiн експлуатацп конструкцiй обробки тунелiв.

Ключовi слова: стшшсть масиву; напружено-деформований стан; пдродинашчний вплив; обробка тунелю; намивний масив

Вступ

Велику кшьюсть украшських мют утворено по берегах водойм. Вщ середини ХХ стол1ття розвиток великих мют вщбувався через розширення забудови у тому числ1 i намиванням грунтових масивiв у межах р1чково1 пойми. При

цьому транспортне сполучення в новоутворених мшрорайонах забезпечуеться лш1ями метрополгтену мшкого закладання. Анал1з рашше проведених дослщжень [1-3, 5] показуе, що характерними ознаками намивних грушгв водонасичених пщаних масив1в

е нер1вном1рнють фракцшного складу з наявнютю значно! кшькост пилуватих часток,

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

абсолютный пдростатичний розподш напружень та практично вщсутне зчеплення м1ж частками грунту, яю знаходяться у суспензованому сташ. Сукупнють цих, змшних у час1, фактор1в призводить до безперервного перерозподшу напружень у масив1, у наслщок чого попршуеться стшюсть водонасичених грунпв, виникають додатков1 деформацп, яю впливають на шдземш споруди.

Тому дослщження пдродинам1чного впливу на стшюсть шдземних споруд метропол1тешв мшкого закладання е актуальною задачею.

Мета

Для встановлення впливу змш пдравл1чного р1вня грунтових вод на стшюсть обробки тунел1в метропол1тену була поставлена задача дослщження експлуатацшно! надшносн метротунел1в в умовах водонасичених пщаних грунпв при безперервному функцюнуванш мапстральних транспортних потоюв, що характерно для мегаполюв.

Методика

Для отримання теоретичних даних авторами виконано узагальнення вщомих з лггератури результанв дослщжень динам1чного впливу на технолопчну стшюсть обробок тунел1в метропол1тешв мшкого закладання [1-10].

Методичну основу комплексу дослщжень склали: анал1з наукових результанв та практичного досвщу прогнозування деформацш обробок тунел1в в залежност вщ напружено-деформованого стану оточуючого грунтового масиву, комп'ютерне моделювання критичного розвитку перемщень обробки тунелю при змш пдравл1чного р1вня грунтових вод.

Результати

Ущшьнення мюько! забудови та аваршш ситуацп на пдротехшчних комушкащях суттево змшюють первюш пдрогеолопчш умови техногенного масиву, яю суттево вщр1зняються вщ пдролопчних даних на стади проектування метропол1тену. У наслщок цього виникають порушення експлуатаци ддачого

метропол1тену, яю, на приклад Оболоньсько! гшки Ки!вського метрополггену, можуть

приводити до втрати герметичносн пдро1золяци та супроводжуватись

потраплянням води та виносом грунпв у тунель.

Для прогнозування майбутньо!

експлуатацшно! надшносн дшянок

метропол1тену, що знаходяться в под1бних умовах, було виконано моделювання напружено-деформованого стану обробки тд д1ею перетоюв грунтових вод.

Детально проанатзоваш умови дшянки Сирецько-Печерсько! лши в межах Харювського вщгалуження. У намивному масив^ представленому переважно

водонасиченими шсками, оскшьки, сутски та суглинки присутш в незначнш кшькосп, виявлена незначна дшянка заторфованосп (рис.1).

PHC. 1. iH^eHepHo-reonorinHi yMoBH MeTpoTyHenM MinKoro 3aKnagaHHa Cupe^Ko-neHepcbKoi niHii

Fig. 1. Engineering and geological conditions for the metro-tunnel of shallow depth, Syretsko-Pechersk line

Oi3HK0-MexaHiHHi xapaKTepucTHKH rpymiB Hiei ginaHKH nimi MeTpononheHy HaBegeHi b TaGnuui 1.

Oco6nHBicTro yMOB ^ei ginaHKH e 3MiHHHH piBeHb nepeTHHaHHH nig3eMHHM noTOKOM BepTHKanbHoro nepepi3y TyHenro (Big nepeBH^eHHa Ha 1,2 m Hag nepeKpHTTaM go nepenagy Ha BHcoTi 4,4 m Big piBHa noTKoBoi nacTHHH TyHenro).

Ee3nocepegHbo b MacHBi TyHenb po3TamoBaHHH noxuno ( nig yxunoM 4%o) npu 3MiHHin rnu6uHi (1,8-5,2 m) Big geHHoi noBepxHi. KoHCTpy^ia TyHenro npegcTaBneHa cTaHgapTH-

3oBaHoro cy^nbHoce^iHHoro o6po6Koro (CCO)

y Burnagi 3ani3o6eToHHoi npaMoKyTHoi кoнcтpyкцii Kopo6KoBoro nepepi3y (puc. 2).

3a gonoMororo nporpaMHux 3aco6iB 6ynu 3MogenboBaHi cTagii TexHonorinHoro npoцecy cnopyg^eHHa MeTpoTyHenro TpaHmeHHHM

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

способом, яК включають: забивку шпунтового огородження, осушення котловану за допомогою водопониження рiвня грунтових вод на перюд будiвництва, виймання грунпв до рiвня лотково! частини, монтування обробки ССО, зворотне засипання та вилучення шпунтiв.

Таблиця 1

Фiзико-механiчнi характеристики грунив

Table 1

Physical and mechanical characteristics of soils

Рис. 2. Конструкщя обробки ССО тунелю мшкого закладання

Fig. 2. The construction design of tunnel ESP of shallow depth

Послщовне моделювання технологи робгг дозволило отримати параметри розподiлу напружено-деформованого стану грунтiв навколо конструкци з врахуванням штегрально1 ди напруг на кожному етат робiт, яке суттево вiдрiзняeться вiд первiсного природного. Одним з елеменпв суттевого впливу на розподш напруг е можливiсть залишення окремих шпунтин (за досвiдом «ПАТ «Кшвметробуд» доля вилучених паль не перевищуе 30-40 %).

На останньому етат вщновлювалась дiя гiдростатичного тиску грунтових вод та ощнювався напружено-деформований стан масиву. Було встановлено, що стiйкiсть стiн котловану суттево порушувалась, тому передбачено додавання в конструкщю огородження котловану розпiрних елемештв.

Далi за допомогою нормативного програмного комплексу «SCAD» були створенi кшька комп'ютерних моделей з врахуванням нерiвномiрного тиску грунтових вод та ймовiрним пiдмивом з iншого боку. Конструкщя обробки змодельована елементом -плитою, основа тд лотковою частиною секци тунелю моделюеться коефiцiентом постеля (вшклерова основа), навантаження вiд грунту та шдземних вод на стiни секци задано рiвномiрно-розподiленим тиском. Величина шдмиву змiнювалася в межах 0-30 %.

Вщповщно до отриманого розподiлу навантажень визначенi показники

напружено-деформованого стану конструкци обробки (рис. 3).

Слiд зазначити, що пдростатичне обтискання конструкци грунтовими водами забезпечуе рiвномiрний перерозподiл напруг в не1, без виникнення критичних сташв, а загальне осiдання конструкци не перевищуе 3,8 мм. Таким чином встановлено, що вплив безнашрного горизонту грунтових вод на стшюсть конструкци е обмеженим.

За наявност гiдравлiчного градiенту в масивi виникае направлена фшьтращя, напрямок яко! обумовлюеться рiзницею глибин рiвня води. Найбшьш складним представляеться випадок, коли шдземш потоки протiкають перпендикулярно осi тунелю. Вщповщний аналiз гiдрогеологiчних умов дозволив припустити можливiсть виникнення

Вид Грунту с> 5 Т5 cS туун у 6 сл J Н туун у Гр о и о у ю о f :И & Л д CS s & т о и О cS bq ü S ft

О 'Й Л Н Й X у о s о 'й ё Й .5 нт щ U о « у н и т £ cu F n u s л и д Л н ду о 2

Шсок дабний 0,002

1 мало вологий середньо! щшьносл 1,72 1,65 СО 2 m о (N

Пiсок середньо!

2 крупносп «1 СЛ \о m 2 m о О m

насичений водою, щiльний CO

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО

барражного ефекту на дшянщ перетинання обробки (рис. 6.). А це, у свою чергу, пщземного потоку i споруди тунелю. призводить до нер1вном1рно! осадки тунелю.

Рис. 3. Вертикалью деформацп конструкци обробки при 30 %-му тдмиву, мм

Fig. 3. Vertical deformations of the construction design at 30% of washout, mm

Внаслщок цього виникае локальний перепiдйом грунтових вод уздовж боково! стiнки тунелю, який може призвести до переливання частини потоку через склешння обробки i подальшого спадання рiвня води з протилежно! сторони тунелю. Ця робоча ппотеза була прийнята з певними припущеннями для визначення додаткових нерiвномiрних деформацiй споруди.

Згiдно з щею гiпотез була створена комп'ютерна модель з урахуванням вимивання грунту з-тд основи тунелю. У результатi моделювання було встановлено, що на дшянщ тунелю, яка перекриваеться шдземним потоком, виникають додатковi деформацп

нерiвномiрного осадження тунелю (рис. 4, 5).

Цей ефект шдтверджено при повторному перерахунку напруженого стану обробки за програмою «SCAD», який показав, що перетоки води через перекриття обробки призводить до розмивання грунтово! основи тд протилежною до напрямку потоку стшкою обробки, у результатi чого виникае нерiвномiрне навантаження на лоткову частину тунелю, що посилюе розмив основи.

Наступне зменшення площi обпирання в основi тунелю викликае концентращю експлуатацiйних напруг на однш сторонi

Puc.4. XapaKTep HepiBHoMipHoi ocagKH TyHenM Fig. 4. Nature of the uneven settlement of the tunnel

Рис. 5. Сумарш деформацп осадження тунелю при 30 %-му пвдмиву, мм

Fig. 5. Total deformations of the tunnel precipitation at 30% of washout, mm

Рис. 6. Нерiвномiрний напружений стан обробки при розмиванш основи при 30 %-му шдмиву, т-м/м

Fig. 6. Uneven stress state of the treatment when the water erosion of base at 30% of washing-out, t- m/m

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

За результатами розрахунюв була побудована залежшсть можливого крену вщ утвореного нерiвномiрного перепаду рiвня шдземних вод по обидва боки тунелю (рис. 7).

З рисунку 7 видно, що вiдхилення тунелю при розмиванш основи носить нелiнiйний характер. При чому в самих екстремальних умовах, коли з одного боку намивш грунти повнiстю знаходяться у водонасиченому сташ, а з шшого боку водонасиченнi грунти знаходяться на рiвнi пiдошви тунелю (тобто перед переливом через склешння обробки), без розмиву тдошви вiдхилення тунелю вщ осi становить 62,09 мм. Вщповщно зi збiльшенням ступеню розмивання грунту в основi тунелю, крен буде збшьшуватись i становить: при 10 % розмивi основи вiдхилення тунелю 81,23 мм; при 20 % - 118,08 мм; при 30 % - 175,83 мм; при 40 % - 260,26 мм.

Рис. 7. Ввдхилення тунелю ввд вертикально! oci в залежносл в1д град1ента уклону р1вня пвдземних вод

Fig. 7. Deviation of the tunnel from the vertical axis depending on the gradient of groundwater level

Наукова новизна та практична значимкть

Авторами роботи вперше встановлено залежшсть вщхилення тунелю метрополлену мшкого закладання вiд вертикально! ос вiд градieнта уклону рiвня шдземних вод, що виникае за рахунок розмивання грунтово!

1. 2.

основи пщ протилежною до напрямку потоку стшки обробки. Цей процес призводить до вторинного осщання, носить нелшшний характер i для нестшких намивних грунлв м. Киева коливасться (у межах вiд 62,09 мм до 260,26 мм в залежносл вщ ступеня розмиву тдошви тунелю).

Визначеш умови виникнення вторинного осщання тунелю метрополитену, яке виникае внаслщок нерiвномiрного навантаження на лоткову частину тунелю (за рахунок локального перепщйому грунтових вод уздовж боково! стшки тунелю), та встановлено характер пролкання деформацiй в перiод експлуатаци тунелiв мiлкого закладання.

На стадп проектування лiнiй метрополiтену мiлкого закладання необхщно враховувати можливiсть нерiвномiрного осiдання вщ дi! гiдростатичного тиску в перюд експлуатацп. Це дозволить уникнути додаткових деформацiй у сезонний перiод, зменшити кiлькiсть поточних ремонтiв та пщвищити надiйнiсть i термiн експлуатацп конструкцш обробки тунелiв.

Висновки

1. У процес технологiчного спорудження та пщ дiею безнапiрних пiдземних вод стшюсть суцiльносекцiйно! обробки забезпечуеться завдяки рiвномiрному гiдростатичному обтисканню обробки, а осщання при цьому знаходяться в межах допустимих значень.

2. У мюцях перетину пщземного потоку i споруди тунелю можуть виникати перелкання води через перекриття тунелю з наступним одностороншм розмиванням грантово! основи, що призводить до втрати поперечно! стшкосл споруди i, як наслiдок, до виникнення небезпечних концентрацiй напруг в бiчнiй i лотковiй частинi обробки.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

Протосеня, А. Г. Метод прогноза напряженного состояния обделки перегонных тоннелей для инженерно-геологических условий г. Ханоя / А. Г. Протосеня, До Нгок Тхай // Изв. Тульского гос. ун-та. Науки о земле. - 2017. - Вып. 1. - С. 145-152.

Стовпник, С. Н. Исследование взаимодействия цельносекционной обделки мелкого заложения с водонасыщенным намывным массивом при динамическом влиянии метропоезда / С. Н. Стовпник, Р. В. Пазюк // Строительство и архитектура : материалы междунар. науч.-практ. конф. (26-27 ноября 2015 г.). - Ростов-на-Дону, 2015. - Т. I. - С. 390-399.

Наука та прогрес транспорту. Вкннк Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзннчного транспорту, 2017, № 5 (71)

3. Стовпник, С. М. Напружено-деформований стан обробки тунелю метрополитену мiлкого закладання в водонасичених тсках / С. М. Стовпник, С. В. Бородай, В. Г. Кравець // Енергетика. Еколопя. Людина : Третя наук.-техн. конф. (14 квгтня 2011 р.). - Кив, 2011. - С. 112-114.

4. Al-Baali, M. A Note on Using Partitioning Techniques for Solving Unconstrained Optimization Problems on Parallel Systems / M. Al-Baali, C. Triki // SQU Journal for Science. - 2015. - Vol. 20, no. 2. - P. 12-18. doi: 10.24200/squjs.vol20iss2pp12-18.

5. Berset, N. Engineering Geology of Underground Excavation - Lötschberg Base Tunnel Case Study. Pt. 2 / N. Berset. - Zürich : ETH Zurich, 2016. - 51 р.

6. Comprehensive Prediction of Fissure Water in Extra-Long Deep Tunnel and Its Application [Електронний ресурс] / L. Li, S. Shi, S. Li, Z. Xu, Z. Zhou // Chinese Journal of Underground Space and Engineering. - 2013.

- Vol. 9, no. 3. - Режим доступу: http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-BASE201303024.htm. - Назва з екрана. - Перевiрено : 27.10.2017.

7. Frequency anomaly of groundwater level before major earthquakes in Taiwan / T.-K. Yeh, C.-H. Chen, C.-H. Wang, S. Wen // Proc. of the Intern. Association of Hydrological Sciences (PIAHS) (12 Nov. 2015). -

2015. - Vol. 372. - P. 101-104. doi:10.5194/piahs-372-101-2015.

8. Infiltration into two-layered soil: the Green-Ampt and Averyanov models revisited. Transport in Porous Media / Ali Al-Maktoumi, A. Kacimov, S. Al-Ismaily, H. Al-Busaidi, S. Al-Saqri // Transport in Porous Media. - 2015.

- Vol. 109. - Iss 1. - P. 169-193. doi:10.1007/s11242-015-0507-8.

9. Modelling of transient water table response to managed aquifer recharge: A Lagoon in Muscat, Oman / A. R. Kacimov, V. Zlotnik, A. Al-Maktoumi, R. Al-Abri // Environmental Earth Sciences Journal (Springer). -

2016. Vol. 75. - Iss. 4. - P. 318. doi:10.1007/s12665-015-5137-5.

10. Porewater pressure control on subglacial soft sediment remobilization and tunnel valley formation: A case study from the Alnif tunnel valley (Morocco) / E. Ravier, J.-F. Buoncristiani, M. Guiraud [et al.] // Sedimentary Geology. - 2014. - Vol. 304. - Р. 71-95. doi: 10.1016/j.sedgeo.2014.02.005.

С. М. СТОВПНИК1*, А. Л. ГАН2*, Е. А. ЗАГОРУЙКО3*, Л. В. ШАЙДЕЦКАЯ4*

1 Каф. «Геостроительство и горные технологии», Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», ул. Борщаговская, 115/3, Киев, Украина, 03056, тел. +38 (067) 848 59 77, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-5664-8680

2*Каф. «Геостроительство и горные технологии», Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», ул. Борщаговская, 115/3, Киев, Украина, 03056, тр. +38 (097) 653 05 66, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-0832-1338

3*Каф. «Геостроительство и горные технологии», Национальный технический университет Украины «Киевский

политехнический институт имени Игоря Сикорского», ул. Борщаговская, 115/3, Киев, Украина, 03056,

тр. +38 (063) 614 41 01, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-2710-3934

4*Каф. «Геостроительство и горные технологии», Национальный технический университет Украины «Киевский

политехнический институт имени Игоря Сикорского», ул. Борщаговская, 115/3, Киев, Украина, 03056,

тел. +38 (067) 447 59 14, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-6593-0255

ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ МЕТРОТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В НАМЫВНЫХ МАССИВАХ

Цель. На основе анализа результатов компьютерного моделирования и лабораторных исследований в научной работе необходимо установить зависимость влияния изменений гидравлического уровня грунтовых вод на устойчивость обработки тоннелей метрополитена за счет развития деформаций окружающего намывного массива. Методика. Методическую основу комплекса исследований составляют анализ, обобщение известных научных результатов и практического опыта прогнозирования, предупреждения деформаций обработок тоннелей и окружающего грунтового массива, а также компьютерное моделирование критического напряженно-деформированного состояния обработки тоннеля при изменении гидравлического уровня грунтовых вод. Результаты. В процессе технологического сооружения и под действием безнапорных подземных вод при эксплуатации тоннелей линий метрополитена мелкого заложения устойчивость сплошь-секционной обработки обеспечивается благодаря равномерному гидростатическому обжатию, при этом осадки тоннеля находятся в пределах допустимых значений.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

Результаты исследований показывают, что при изменении уровня подземных вод с обеих сторон тоннеля может возникать разное гидростатическое давление. При этом появляется перераспределение напряжений грунтового массива вокруг поперечного сечения тоннеля, а это, в свою очередь, приводит к возникновению дополнительных неравномерных деформаций и раскрытия трещин обработки тоннеля во время эксплуатации. Научная новизна. Авторами работы впервые установлено влияние изменения гидростатического давления, которое может возникать вследствие колебания уровня подземных вод на сплошь-секционную обработку тоннелей линий метрополитена мелкого заложения за счет вторичного оседания грунта. Определены условия возникновения вторичного осадка грунта и установлен характер протекания деформаций в период эксплуатации тоннелей мелкого заложения. Практическая значимость. На стадии проектирования линий метрополитена мелкого заложения необходимо учитывать возможность неравномерной осадки от действия гидростатического давления в период эксплуатации. Это позволит избежать дополнительных деформаций в сезонный период, уменьшить количество текущих ремонтов, повысить надежность и увеличить срок эксплуатации конструкций обработки тоннелей.

Ключевые слова: устойчивость массива; напряженно-деформированное состояние; гидродинамическое влияние; обработка тоннеля; намывной массив

S. M. STOVPNYK1*, A. L. HAN2*, E. A. ZAHORUIKO3*, L. V. SHAIDETSKA4*

1 Dep. «Geochemistry and Mining Technologies», National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kiev Polytechnic Institute», Borschagivska St., 115/3, Kyiv, Ukraine, 03056, tel. +38 (067) 848 59 77, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-5664-8680

2*Dep. «Geochemistry and Mining Technologies», National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Borschagivska St., 115/3, Kyiv, Ukraine, 03056, tel. +38 (097) 653 05 66, e-mail [email protected], (ORCID 0000-0003-0832-1338

3*Dep. «Geochemistry and Mining Technologies», National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Borschagivska St., 115/3, Kyiv, Ukraine, , 03056, tel. +38 (063) 614 41 01, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-2710-3934

4*Dep. «Geochemistry and Mining Technologies», National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kiev Polytechnic Institute», Borschagivska St., 115/3, Kyiv, Ukraine, 03056, tel. +38 (067) 447 59 14, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6593-0255

RESEARCH OF HYDRAULIC IMPACT ON THE TECHNOLOGICAL STABILITY OF SHALLOW METROTUNNEL IN DREDGING MASSIVES

Purpose. On the basis of the results analysis of the computer simulation and laboratory studies it is necessary to determine the changes impact dependence of the hydraulic level of groundwater on the tunnels processing stability in the underground due to the deformations development of the surrounding dredging massif. Methodology. The methodological basis of the research complex consists of the analysis, generalization of known scientific results and practical experience of forecasting and preconditioning of deformations of tunnel and surrounding soil mass processing, as well as computer simulation of the critical stress-strain state of the tunnel processing at changes in the hydraulic level of groundwater. Findings. In the process of technological construction and under the non-pressure groundwaters impact, when operating tunnels of subway lines of shallow foundation, the stability of all-section machining is ensured due to the uniform hydrostatic reduction of processing. At this the sediments are within the permissible values. The results of the research show that different levels of hydrostatic pressure can occur when the groundwater level changes from both sides of the tunnel. At the same time, there is a redistribution of stresses of the soil mass around the cross section of the tunnel, which, in turn, leads to the appearance of additional non-uniform deformations and the opening of cracks in the tunnels during operation. Originality. The authors of the work firstly established the effect of changes in hydrostatic pressure, which may arise due to fluctuations in the level of groundwater on the whole-section processing of tunnels of metro lines of shallow foundation due to secondary sedimentation. The conditions of occurrence of the secondary sediment have been determined and the nature of the deformation course has been established during the operation of the shallow subway. Practical value. At the stage of designing the metro lines of the shallow foundation, it is necessary to take into account the possibility of uneven precipitation from the action of hydrostatic pressure during operation. This will avoid additional deformations during

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)

the seasonal period, reduce the number of current repairs, increase reliability and the useful life of the tunnel

processing structures.

Keywords: stability of the massif; stress-strain state; hydrodynamic effect; processing of a tunnel; dredging massif

REFERENCES

1. Protosenya, A. G., & Thai, Do Ngoc (2017). Method of forecasting interstation tunnel lining stress condition for geological conditions of Hanoi. News of the Tula state university. Sciences of Earth, 1, 145-152.

2. Stovpnyk, S. N., & Pazyuk, R. V. (2015). Investigation of the interaction of a single-section decoration of a shallow formation with a water-saturated dipping massif under the dynamic influence of the metro-train. Proceedings of the International Conference on Construction and architecture-2015, Rostov-on-Don, November 26-27, 2015 (pp. 390-393). Rostov-on-Don: Editorial and Publishing Center RSSU.

3. Stovpnyk, S. N., Borodai, S. V., & Kravets, V. G. (2011). The stressed-deformed state of the underground tunnel processing of shallow watering in water-saturated sands. Proceedings of the Third scientific and technical conference «Power engineering. Ecology. Man», April 14, 2011, Kyiv (pp. 112-114). Kyiv: NTUU KPI.

4. Al-Baali, M., & Triki, C. (2015). A Note on Using Partitioning Techniques for Solving Unconstrained Optimization Problems on Parallel Systems. SQU Journal for Science, 20 (2), 12-18. doi:10.24200/squjs.vol20iss2pp12-18

5. Berset, N. (2016). Engineering Geology of Underground Excavation - Lotschberg Base Tunnel Case Study Part 2. Zürich: ETH Zurich.

6. Li, L., Shi, S., Li, S., Xu, Z., & Zhou, Z. (2013). Comprehensive Prediction of Fissure Water in Extra-Long Deep Tunnel and Its Application. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 3, 024.

7. Yeh, T.-K., Chen, C.-H., Wang, C.-H., Wen, S. (2015). Frequency anomaly of groundwater level before major earthquakes in Taiwan. Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences, 372, 101-104. doi:10.5194/piahs-372-101-2015

8. Al-Maktoumi, A., Kacimov, A., Al-Ismaily, S., Al-Busaidi, H., & Al-Saqri, S. (2015). Infiltration into two-layered soil: the Green-Ampt and Averyanov models revisited. Transport in Porous Media, 109(1), 169-193. doi:10.1007/s11242-015-0507-8

9. Kacimov, A. R., Zlotnik, V., Al-Maktoumi, A., & Al-Abri, R. (2016). Modelling of transient water table response to managed aquifer recharge: A Lagoon in Muscat, Oman. Environmental Earth Sciences, 75(4). doi:10.1007/s12665-015-5137-5

10. Ravier, E., Buoncristiani, J.-F., Guiraud, M., Menzies, J., Clerc, S., Goupy, B., & Portier, E. (2014). Porewater pressure control on subglacial soft sediment remobilization and tunnel valley formation: A case study from the Alnif tunnel valley (Morocco). Sedimentary Geology, 304, 71-95. doi: 10.1016/j.sedgeo.2014.02.005

Стаття рекомендована до друку д. т.н., проф. С. В. Зайченком (Украта);

д.т.н., доц. О. Л. Тютьюним (Украта)

Надшшла до редколегп: 06.06.2017

Прийнята до друку:12.09.2017