CC BY
2
Моделирование возведения подводного тоннеля метрополитена
С.Е. Соколова, Я.А. Богданов, А.В. Манько, Е.А. Муравьева Московский государственный строительный университет
Аннотация: Статья посвящена математическому моделированию строительства подводных тоннелей, предназначенных для метрополитена. Данный тип тоннелей также можно использовать как железнодорожный и автодорожный. Самыми интересными являются подводные тоннели-мосты и плавающие тоннели, но самые перспективные и наиболее часто встречающийся это тоннели, расположенные на дне водной преграды. Ключевые слова: подводный тоннель, метрополитен, метод конечных элементов, метод отпускных секций, математическое моделирование, этапы технологии строительства, транспортный тоннель, напряженно-деформированное состояние.
Подводные тоннели - это транспортные сооружения, проложенные через водные преграды. Различают четыре варианта строительства тоннеля, которые отличаются также конструктивно [1]:
• под дном водной преграды,
• погружен на дно водной преграды,
• погружной плавающий тоннель,
• тоннели-мосты (погружные тоннели на опорах).
Первый тип подводных тоннелей являются классическими тоннелями, проложенными в грунте под дном на какой-либо глубине. Таких тоннелей построено во всем мире очень много [2]. Следующий по частоте применения это подводные тоннели, погруженные на дно водной преграды. У этого варианта есть различные виды технологии устройства, но в основном всё сводится к двум [3]:
1. Устройство подводного разреза (траншеи), в котором монтируют тоннель из готовых отсеков, а после засыпают траншею и тоннель каменным материалом;
2. Монтаж тоннеля из готовых отсеков на выровненную постель и после засыпка тоннеля послойно песком и каменным материалом.
В мире также возводятся подводные тоннели. А особенно преуспели в подводном тоннелестроении Норвегия и Китай [4, 5].
Для данного исследования был выбран подводный тоннель в траншее на дне водной преграды (реки Енисей), который впоследствии необходимо засыпать каменным материалом. Причина такого выбора в том, чтобы не уменьшать габарит судового хода потому, что река Енисей в данном районе судоходна и глубина составляет 25м. Длина подводной части, состоящей из секций - 740м.
Обычно секции проектируют так, чтобы в законченном виде они имели хотя бы небольшую отрицательную плавучесть, гарантирующую от необходимости принятия мер против всплытия тоннеля. Однако, в этом случае, приходится для удержания секций на плаву соединять их с понтонами или, для секций круговой формы, заполнять лишь частично пространство между стальными оболочками бетоном до спуска на воду. Такой процесс продолжается в плавучем состоянии секции, а заканчивается только после ее доставки на место опускания [6].
При помощи землесосного снаряда улучшенной конструкции [7] производится выемка (разрез, траншея) с отвозом лишнего грунта и придонного ила на утилизацию на специализированных полигонах. Секции подводного тоннеля изготавливают на берегу в сухих доках и буксируют к месту монтажа баржами также, как и при устройстве причальных или берегозащитных сооружений из массив-гигантов [8]. После затопления секции сверху на нее идет каменная наброска и откачка воды.
Выбор трассы подводного тоннеля должен вестись не только с точки зрения транспортной эффективности и целесообразности, но и с точки зрения соответствия инженерно-геологических особенностей выбранной трассы поставленным задачам. Геология по правому берегу следующая: насыпной грунт в виде галечникового грунта с песчаным заполнителем с прослоями
суглинка с галькой; галечниковый грунт с песчаным заполнителем, маловлажный; галечниковый грунт с песчаным заполнителем водонасыщенный; суглинок элювиальный тверды, непросадочный, ненабухающий. Тоннель будет проходить в последнем грунте. Начиная с момента геологических изысканий, необходимо устраивать систему геомеханического мониторинга за окружающей средой [9].
Для моделирования поставленной задачи использовался метод конечных элементов. Один из самых распространенных программных комплексов, широко применяемый в инженерной практике - PLAXIS 2D [10]. В процессе расчета была использована модель среды Мора-Кулона. Расчеты выполнены по I группе предельных состояний с обеспеченностью 0,95. На рис.1 показана типовая конструкция тоннеля, которая используется в данном исследовании.
26500____/
Рис.1. - Поперечный разрез подводного тоннеля: 1 - каменно-грунтовая постель тоннеля, 2 - двухпутный транспортный тоннель, 3 -сервисный тоннель.
При проведении моделирования были моделированы шесть этапов производства работ:
• Моделирование природного напряженно-деформированного состояния (НДС) геологической среды рассматриваемого участка строительства.
• Подготовка дна основания, устройство землесосом траншеи.
• Погружение секции, стыковка с предыдущей секцией.
• Обратная засыпка песчано-каменным материалом.
• Откачивание воды из секции.
• Открытие гермоворот, устройство железнодорожного пути и дальнейшая эксплуатация.
На рис. 2 показаны деформации грунтового массива дна реки в процессе возведения подводной траншеи. Максимальная деформация составит 2,8 см на дне траншеи и 2 см в ее откосах.
[*10'3 т!
Рис. 2. - Схема деформации грунтового основания подводной траншеи.
На рис. 3 показана схема перемещений в массиве дна реки и деформации затопляемых секций подводного тоннеля. Для получения результатов деформации массива грунта от погружения секции тоннеля предыдущие перемещения были аннулированы. Поэтому деформация дна реки при погружении секции составит 1,7см.
[40 3 т]
117,00
16,00 15,00 14,00 ... 13,00
'-I 12,00
- 11,00
Рис. 3. - Схема деформации траншеи при погружении секции тоннеля.
[40 3 т]
Рис. 4. - Схема деформации массива грунта при обратной засыпке. На рис.4 показана картина деформированного состояния массива и конструкций секции в момент ее обратной засыпки песчано-каменным
материалом с последующей откачкой воды из тоннеля. Максимальная деформация составит 3,6 см. В период последующей эксплуатации подводного тоннеля, в расчетную схему добавляют нагрузку от движущегося поезда метро (рис.5).
[»10 3 т]
Рис. 5. - Моделирование эксплуатации подводного тоннеля.
На стадии эксплуатации подводного тоннеля максимальная осадка в зоне обратной засыпки составляет 4,5 см при условии, что секция выполнена из монолитного железобетона. Можно сделать вывод о том, что, в результате моделирования подводного тоннеля методом опускных секций, допустимая осадка находится в пределах нормы (5 см). Значит, строительство данного тоннеля допустимо.
Также, по результатам проведенного математического моделирования, можно сделать вывод о том, что подводный тоннель является прекрасным конкурентом мостовым переходам через водные преграды.
Литература
1. Маковский Л.В., Кравченко В.В. Подводные транспортные тоннели из опускных секций. М.: ООО "Издательство "КноРус". 2020. 144 с.
2. Маковский, Л. В. Перспективы развития подводного транспортного тоннелестроения // Наука и техника в дорожной отрасли. 2007. № 4. С. 18-20.
3. Поляков В.Ю., Хорев И.В., Демидов И.М. Современные подходы к исследованию и разработке подводных плавающих сооружений // Транспортные сооружения. 2022. Т. 9, № 3. c.1-38.
4. Borg A., Bjelland H., Niya O. Reflections on Bayesian Network models for road tunnel safety design: A case study from Norwa // Tunnelling and Underground Space Technology. Vol. 43. 2014. URL: doi.org/10.1016/j.tust.2014.05.004.
5. Hong K. Typical Underwater Tunnels in the Mainland of China and Related Tunneling Technologies // Bridge Engineering and Tunnel Engineering. Vol.3, Issue 6. 2017. URL: doi.org/10.1016/j.eng.2017.12.007.
6. Грудский В.А. Анализ ресурса плавучести секций новых придонных тоннелей на этапах строительства // Естественные и технические науки. 2012. № 1. С. 398-401.
7. Ефимов Д.С., Тимошенко В.А. Обоснование улучшения конструкций всасывающих наконечников землесосов // Машины и оборудование природообустройства и защиты окружающей среды: Сборник статей студентов и молодых ученых. Том 6. Новочеркасск: Новочеркасская государственная мелиоративная академия, 2011. С. 65-67.
8. Иванов П.А., Страшный А.П. Уникальные конструктивные решения морских ГТС в современной России - проектные решения АО "ГТ Морстрой" // Гидротехника. 2021. № 4. С. 36-39.
9. Гергарт Ю. А. Методика испытания горных пород на прочность неразрушающим методом при проходке транспортных тоннелей //
Инженерный вестник Дона. 2013. №4. URL:
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2118.
10. Бехтев И.К. Верификация полуэмпирического метода прогноза осадок Р.Б. Пека для щитовой проходки транспортных тоннелей мелкого заложения // Инженерный вестник Дона. 2020. №5. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/N5y2020/6474.
References
1. Makovskij L.V., Kravchenko V.V. Podvodnye transportnye tonneli iz opusknyh sekcij [Underwater transport tunnels made of lowered sections]. M.:
000 "Izdatel'stvo "KnoRus". 2020. 144p.
2. Makovskij, L. V. Nauka i tehnika v dorozhnoj otrasli. 2007. № 4. pp. 18-20.
3. Poljakov V.Ju., Horev I.V., Demidov I.M. Transportnye sooruzhenija. 2022. T. 9, № 3. pp.1-38.
4. Borg A., Bjelland H., Niya O. Tunnelling and Underground Space Technology. Vol. 43. 2014. URL: doi.org/10.1016/j.tust.2014.05.004.
5. Hong K. Bridge Engineering and Tunnel Engineering. Vol.3, Issue 6. 2017. URL: doi.org/10.1016/j.eng.2017.12.007.
6. Grudskij V.A. Estestvennye i tehnicheskie nauki. 2012. № l.pp. 398-401.
7. Efimov D.S., Timoshenko V.A. Mashiny i oborudovanie prirodoobustrojstva
1 zashhity okruzhajushhej sredy: Sbornik statej studentov i molodyh uchenyh. Tom 6. Novocherkassk: Novocherkasskaja gosudarstvennaja meliorativnaja akademija, 2011. pp. 65-67.
8. Ivanov P.A., Strashnyj A.P. Gidrotehnika. 2021. № 4. pp. 36-39.
9. Gergart Ju. A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2118.
10. Behtev I.K. Inzhenernyj vestnik Dona. 2020. №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N5y2020/6474.
