Влияние структуры массива грунта в смешанном забое тоннеля на форму и размер мульды осадок земной поверхности

Представлено исследование влияния структуры грунтового массива на форму и размер мульды осадок, вызванных изменением напряженно-деформированного состояния массива при строительстве в нем двухпутного тоннеля метрополитена щитовым проходческим комплексом с грунтовым пригрузом забоя. Результаты получены при помощи пространственного численного конечно-элементного моделирования строящегося тоннеля в слабых грунтах, имеющих широкий диапазон деформационных и прочностных характеристик. Моделирование проводилось при изменяющейся структуре грунтового массива в смешанном забое тоннеля. Изменение формы и размеров мульды осадок оценивалось по трем описывающим ее параметрам: площади мульды осадок, значения осадок над осью тоннеля, расстояния между вертикальной осью поперечного сечения тоннеля и точкой прогиба поперечного профиля мульды. Построены графики зависимости параметров, описывающих форму и размер мульды осадок, от изменяющейся структуры грунтового массива в смешанном забое. Согласно результатам моделирования, наибольшее изменение размеров мульды осадок относительно массива, имеющего однородные структуру и физико-механические характеристики, достигающее 38%, наблюдается при наиболее близком положении ослабляемого или усиливаемого слоя грунта к оси тоннеля. При этом с приближением ослабленного слоя грунта к оси тоннеля происходит переход формы мульды в более пологую, о чем свидетельствуют отличные друг от друга скорости изменения осадок над осью тоннеля и расстояния между вертикальной осью поперечного сечения тоннеля и точкой прогиба поперечного профиля мульды.

Протосеня А. Г., Кумов В. В. Влияние структуры массива грунта в смешанном забое тоннеля на форму и размер мульды осадок земной поверхности // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 4. – С. 5–21. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2024_4_0_5.

Протосеня Анатолий Григорьевич¹ — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: Protosenya_AG@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7829-6743,
Кумов Всеволод Васильевич¹ — аспирант, e-mail: vshuk1@mail.ru, ORCID ID: 0009-0006-2820-2941,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Кумов В.В., e-mail: vshuk1@mail.ru.

1. Волохов Е. М., Мукминова Д. З. Оценка деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей метрополитена способом искусственного замораживания грунтов для стадии формирования ледопородного ограждения // Записки Горного института. — 2021. — Т. 252. — С. 826—839. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.5.

2. Clough W., Schmidt B. Design and performance of excavations and tunnels in soft clay // Developments in Geotechnical Engineering. 1981, vol. 20, pp. 567—634. DOI: 10.1016/B978-0-44441784-8.50011-3.

3. Komolov V., Belikov A. Assessment of the impact of the construction of semi-buried structures on the surrounding buildings and the road system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020, vol. 918, no. 1, article 012027. DOI: 10.1088/1757-899X/918/1/012027.

4. Jiankang L., Yujing J. The influence of geological conditions of the rock mass before the tunnel face on the forecasting efficiency of the uniaxial compression strength prediction model // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 861, no. 4, article 042118. DOI: 10.1088/ 1755-1315/861/4/042116.

5. Zhang W., Li H., Wu C., Ly Y. Soft computing approach for prediction of surface settlement induced by earth pressure balance shield tunneling // Underground Space. 2021, vol. 6, pp. 353—363. DOI: 10.1016/j.undsp.2019.12.003.

6. Kang-Hyun L., Hyun-Jun S. Probabilistic estimation of predicting the state of the soil in front of TBM tunnels, combining each method of geophysical forecasting // Journal of the Korean Association of Tunneling and Underground Space. 2016, vol. 18, no. 3, pp. 257—272. DOI: 10.9711/KTAJ.2016. 18.3.257.

7. Zhao S., Li S., Wan Z., Wang X. Effects of anti-clay agents on bubble size distribution and stability of aqueous foam under pressure for earth pressure balance shield tunneling // Colloid And Interface

8. Liu J., Tan Y., Song X., Fan D., Liu T. Effects of through-wall leaking during excavation in waterrich sand on lateral wall deflections and surrounding environment // Journal of Zhejiang University (Engineering Science). 2023, vol. 57, no. 3, pp. 530—541. DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.011.

9. Дашко Р. Э., Лохматиков Г. А. Верхнекотлинские глины Санкт-Петербургского региона как основание и среда уникальных сооружений: инженерно-геологический и геотехнический анализ // Записки Горного института. — 2022. — Т. 254. — С. 180—190. DOI: 10.31897/PMI.2022.13.

10. Набатов В. В., Вознесенский А. С. Геомеханический анализ влияния строительства новых тоннелей в окрестности действующих подземных сооружений метрополитена на состояние грунтового массива // Записки Горного института. — 2023. — Т. 264. — С. 926—936.

11. Dang T., Meschke G. Influence of muck properties and chamber design on pressure distribution in EPB pressure chambers — Insights from computational flow simulations // Tunnelling And Underground Space Technology. 2020, vol. 99. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103333.

12. Fei P., Ma S. Analysis of experimental data on the effect of double-line parallel shield tunneling on the deformation of adjacent buildings // Alexandria Engineering Journal. 2021, vol. 60, pp. 3957— 3963. DOI: 10.1016/j.aej.2021.02.034.

13. Liu X., Xu S., Huang Y. Optimal control for earth pressure balance of shield machine based on action-dependent heuristic dynamic programming // ISA Transactions. 2019, vol. 94, pp. 28—35. DOI: 10.1016/j.isatra.2019.04.007.

14. Liu X., Xu S., Shao C. Optimal control of earth pressure balance of shield tunneling machine based on dual-heuristic dynamic programming // Optimal Control Applications and Methods. 2020, vol. 41, pp. 1510—1523. DOI: 10.1002/oca.2612.

15. Zhou X., Zhai S. Estimation of the cutterhead torque for earth pressure balance TBM under mixed-face conditions // Tunnelling And Underground Space Technology. 2018, vol. 74, pp. 217—229. DOI: 10.1016/j.tust.2018.01.025.

16. Ochmanski M., Spacagna R., Modoni G. 3D numerical simulation of consolidation induced in soft ground by EPB technology and lining defects // Computers And Geotechnics. 2021, vol. 128. DOI: 10.1016/j.compgeo.2020.103830.

17. Wang Y., Zhang F. Effects of pit-bottom-soil reinforcement on the deformation of subway deep foundation pits based on an improved model // Hindawi. Advances in Materials Science and Engineering. 2022, vol. 2022, article 2661311. DOI: 10.1155/2022/2661311.

18. Беликов А. А., Беляков Н. А. Методика прогноза напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков, закрепленных податливой тросовой крепью // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 20—34. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2023_4_0_20.

19. Карасев М. А., Поспехов Г. Б., Астапенко Т. С., Шишкина В. С. Анализ моделей прогноза напряженно-деформированного состояния техногенных грунтов низкой прочности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 11. — С. 49—70. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2023_11_0_49.

20. Dzhemilev E. R., Shammazov I. A., Sidorkin D. I., Mastobaev B. N., Gumerov A. K. Developing technology and device for the main pipelines repair with cutting out their defective sections // Pipeline Transportation of Oil. 2022, vol. 10, pp. 78—82. DOI: 10.24887/0028-2448-2022-10-78-82.

21. Zhang P., Chen R., Wu H. Real-time analysis and regulation of EPB shield steering using Random Forest // Automation In Construction. 2019, vol. 106. DOI: 10.1016/j.autcon.2019.102860.

22. Shahmoradi J., Salari H., Roghanchi P. Face stability analysis for the earth pressure balance method in nonhomogeneous inclined soil layers: Case study // International Journal of Geomechanics. 2020, vol. 20, no. 10. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001833.

23. Li Z., Yang X. Analysis and design charts for 3D active earth pressure in cohesive soils with cracks // Acta Geotechnica. 2021, vol. 16, pp. 3269—3283. DOI: 10.1007/s11440-021-01192-y.

24. Li Z., Yang X., Li Y. Active earth pressure coefficients based on a 3D rotational mechanism // Computers And Geotechnics. 2019, vol. 112, pp. 342—349. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.05.005.

25. Деменков П. А., Романова Е. Л., Котиков Д. А. Исследование формирования напряженнодеформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 11. — С. 33—48. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_33.

26. Ковальский Е. Р., Конгар-Сюрюн Ч. Б., Петров Д. Н. Проблемы и перспективы внедрения многостадийной выемки руды при отработке запасов калийных месторождений // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 2. — С. 349—364. DOI: 10.21177/19984502-2023-15-2-349-364.

27. Zhao C., Zhao D. Application of construction waste in the reinforcement of soft soil foundation in coastal cities // Environmental Technology and Innovation. 2020, vol. 21, article 101195. DOI: 10.1016/j.eti.2020.101195.

28. Hu X., Fu W., Ju J., He C. Face stability conditions in granular soils during the advancing and stopping of earth-pressure-balanced-shield machine // Tunnelling And Underground Space Technology. 2021, vol. 109, no. 12, article 103755. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103755.

29. Yin X., Chen R., Meng F. Influence of seepage and tunnel face opening on face support pressure of EPB shield // Computers And Geotechnics. 2021, vol. 135. DOI: 10.1016/j.compgeo.2021.104198.

30. Ma S., Li M., Guo Y., Safaei B. Field test and research on shield cutting pile penetrating cement soil single pile composite foundation // Geomechanics and Engineering. 2020, vol. 23, pp. 513—521. DOI: 10.12989/gae.2020.23.6.513.

31. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.13.

32. Rohola H., Jamal R., Sohrabian B. Prediction of face pressure and required thrust force within tbm tunnelling through alluvial ground / 2nd International Conference on Tunneling Machines in Difficult Soils (TBM DiGs Istanbul). Istanbul, 2016.

33. Lee H., Hoi H., Choi S., Chang S. Numerical Simulation of EPB Shield Tunnelling with TBM Operational Condition Control Using Coupled DEM-FDM // Applied Sciences-Basel. 2021, vol. 11. DOI: 10.3390/app11062551.

34. Дашко Р. Э., Карпенко А. Г. Современное состояние надземных и подземных конструкций Александровской колонны — интегральная основа ее устойчивости // Записки Горного института. — 2023. — Т. 263. — С. 757—773.

35. Мельников Р. В. Компрессионные испытания грунта как способ определения параметров модели Hardening Soil // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. — 2014. — № 4. — С. 90—94.

36. Hu X., He C., Walton G., Fang Y., Dai G. Laboratory model test of EPB shield tunneling in a cobble-rich soil // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2020, vol. 146. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.000235.