Напряженно-деформированное состояние обделки траволаторного тоннеля метрополитена при строительстве и эксплуатации

Для обеспечения доступа ко второму выходу со станции метро «Спортивная» Санкт-Петербургского метрополитена был построен траволаторный (переходной) тоннель между станцией и эскалаторным тоннелем с вестибюлем. В качестве основной несущей конструкции принята обделка из железобетонных блоков, наружный диаметр обделки — 7,9 м, внутренний — 7,2 м. Со стороны станционного комплекса переходной коридор располагается в зоне влияния нескольких перегонных тоннелей, по трассе пересекает забученную выработку. В таких условиях возникает ряд сложных задач, среди которых расчетное определение напряженно-деформированного состояния обделки тоннеля, представленной ребристыми тюбингами из железобетона. Для определения фактических усилий в обделке переходного коридора при различных геометрических условиях взаимного расположения с существующими тоннелями были выполнены натурные исследования. Получены закономерности формирования напряженного состояния обделки на всех этапах строительства и в течение 5 лет эксплуатации. Полученные результаты фактического напряженно-деформированного состояния обделки тоннеля явились основой для верификации разработанных расчетных схем для численного моделирования МКЭ. Расчеты выполнены для трёхмерной конечно-элементной математической модели в расчетном комплексе Plaxis 3D. Сопоставление результатов расчетов с данными натурных исследований позволили получить следующий основной вывод: 23 года, прошедшие после сооружения существующих тоннелей, оказывают не большее влияние на формирование напряженно-деформированного состояния обделки траволаторного тоннеля, чем технологические факторы его строительства.

Ключевые слова: транспортные тоннели, взаимное влияние, технология строительства, мониторинг, усилия в обделке, методы расчета, численное моделирование, датчики, длительные исследования.
Как процитировать:

Лебедев М. О., Степуков Е. В., Ларионов Р. И. Напряженно-деформированное состояние обделки траволаторного тоннеля метрополитена при строительстве и эксплуатации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6−2. — С. 98—114. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_98.

Благодарности:
Номер: 6
Год: 2022
Номера страниц: 98-114
ISBN: 0236-1493
UDK: 624.191; 624.121.532
DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_98
Дата поступления: 14.01.2022
Дата получения рецензии: 05.04.2022
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.05.2022
Информация об авторах:

Лебедев Михаил Олегович — канд. техн. наук, доцент, заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе, http://orcid.org/0000-0002-7749-442X, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс», 191002, Санкт-Петербург, Большая Московская ул., д.2, Россия, e-mail: lebedev-lmgt@yandex.ru;
Степуков Евгений Владимирович —младший научный сотрудник, http://orcid. org/0000-0002-3321-1440, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс», 191002, СанктПетербург,Большая Московская ул., д.2, Россия, е-mail: estepukov_lmgt@mail.ru;
Ларионов Роман Игоревич — канд. техн. наук, заведующий лабораториейгеомеханики, http://orcid.org/0000-0002-1297-6823,ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс», 191002, СанктПетербург,Большая Московская ул., д.2, Россия,e-mail: roman.larionov.spmi@gmail.com

Контактное лицо:

Лебедев Михаил Олегович, e-mail: lebedev-lmgt@yandex.ru.

Список литературы:

1. Kim S. H., Burd H. J., Milligan G. W. E. Model testing of closely spaced tunnels in clay // Géotechnique. 1998, vol. 48 (3), рр. 375–388.

2. Byun G. W., Kim D. G., Lee S. D. Behavior of the ground in rectangularly crossed area due to tunnel excavation under the existing tunnel // Tunnelling and Underground Space Technology. 2006, vol. 21 (3−4), 361 р.

3. Choi J. I., Lee S. W. Influence of existing tunnel on mechanical behavior of new tunnel // KSCE Journal of Civil Engineering. 2010, vol. 14 (5), рр. 773–783. DOI: 10.1007/ S12205-010-1013-8.

4. Marshall A. M., Klar A., Mair R. J. Tunneling beneath buried pipes: view of soil strain and its effect on pipeline behavior // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2010, vol. 136 (12), рр. 1664–1672. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943−5606.0000390.

5. Kimmance J. P., Lawrence S., Hassan O., Purchase N. J., Tollinger G. Observations of deformations created in existing tunnels by adjacent and cross cutting excavations. Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Balkema, Rotterdam, 1996, рр. 707–712.

6. Selman R. Subsurface settlements induced by tunnelling in London Clay. In: Proceedings European Young Geotechnical Engineer’s Conference, Tallinn, Estonia, 1998, рр. 1–8.

7. Cooper M. L., Chapman D. N., Rogers C. D. F., Chan A. H. C. Movements in the Piccadilly Line tunnels due to the Heathrow Express construction // Géotechnique, 2002, vol. 52 (4), рр. 243–257. DOI:10.1680/geot.52.4.243.41019.

8. Mohamad H., Bennett P. J., Soga K., Mair R. J., Bowers K. Behaviour of an old masonry tunnel due to tunnelling-induced ground settlement // Géotechnique, 2010, vol. 60 (12), рр. 927–938. DOI:10.1680/geot.8.P.074.

9. Fang Q., Zhang D., Li Q., Wong L. N. Y. Effects of twin tunnels construction beneath existing shield-driven twin tunnels // Tunnelling and Underground Space Technology. 2015, vol. 45, рр. 128–137. DOI:10.1016/j.tust.2014.10.001.

10. Atkinson J. H., Potts D. M. Subsidence above Shallow Tunnels in Soft Ground // Journal of the Geotechnical Engineering Division. 1997, vol. 103 (4), рр. 307–325. DOI:10.1016/0148−9062(77)91056−7.

11. Bobet A. Analytical solutions for shallow tunnels in saturated ground // Journal of Engineering Mechanics. 2001, vol. 127(12), рр. 1258–1266. DOI:10.1061/(ASCE)0733−9399(2001)127:12(1258).

12. Peck R. Deep excavations and tunnelling in soft ground. In 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, 1969, рр. 225–290.

13. Sagaseta C. Analysis of undraind soil deformation due to ground loss // Geotechnique. 1987, vol. 37 (3), рр. 301–320. DOI:10.1680/geot.1987.37.3.301.

14. Ahrens H., Linder E., Lux K. H. Zur Dimensionierung von Tunnelausbauten nach den „Empfehlungen zur Berechnung von Tunneln im Lockergestein (1980)“. Die Bautechnik, 1982, vol. 59, 260 p.

15. Blom C. Design philosophy of concrete linings for tunnels in soft soils. Ph. D. thesis, Delft University, 2002, 184 p.

16. Duddeck H. Empfehlungen zur Berechnung von Tunneln im Lockergestein // Die Bautechnik. 1980, vol. 10, рр. 349–356.

17. Arnau O, Molins. C. Experimental and analytical study of the structural response of segmental tunnel linings based on an in situ loading test. Part 2: Numerical simulation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2011, vol. 26, рр. 778–788. DOI:10.1016/j. tust.2011.05.002.

18. Blom C., Van Der Horst E., Jovanovic P. Three-dimensional structural analyses of the shield-driven “Green Heart” tunnel of the high-speed line south // Tunnelling and Underground Space Technology. 1999, vol. 14, рр. 217–224. DOI:10.1016/s0886−7798(99)00035−8.

19. Addenbrooke T. I., Potts D. M. Twin tunnel interaction: surface and subsurface effects // International Journal of Geomechanics. 2001, vol. 1 (2), рр. 249–271. DOI: 10.1061/(ASCE)1532−3641(2001)1:2(249).

20. Ng C. W., Lee K. M., Tang D. K. Three-dimensional numerical investigations of new Austrian tunnelling method (NATM) twin tunnel interactions // Canadian Geotechnical Journal. 2004, vol. 41 (3), рр. 523–539. DOI:10.1139/t04−008.

21. Avgerinos V., Potts D. M., Standing J. R. Numerical investigation of the effects of tunnelling on existing tunnels // Géotechnique. 2017, vol. 67 (9), рр. 808–822. DOI:10.1680/ jgeot.sip17.p.103.

22. Jiangwei S. B., Xian Z. B., Yonghui C. B., Li C. Numerical parametric study of countermeasures to alleviate basement excavation effects on an existing tunnel // Tunneling and Underground Space Technology. 2018, vol. 72, рр. 145–153. DOI:10.1016/j. tust.2017.11.030.

23. Xing-Tao L., Ren-Peng C., Huai-Na W., Hong-Zhan C. Deformation behaviors of existing tunnels caused by shield tunneling undercrossing with oblique angle // Tunneling and Underground Space Technology. 2019, vol. 89, рр. 78–90.DOI:10.1016/j.tust.2019.03.021.

24. Rongzhu L., Tangdai X., Yi H., Feng Y. Effects of above-crossing tunneling on the existing shield tunnels // Tunnelling and Underground Space Technology. 2016, vol. 58, рр.159–176. DOI:10.1016/j.tust.2016.05.002.

25. Chang-Koon C., Phill-Seung L. Interaction between two asymmetric noncircular tunnels // The 2017 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics (ASEM17), 28 August — 1 September, Ilsan(Seoul), Korea, 2017. pp. 1–14.

26. Runke H., Pengyuan Z., Zhanping S., Junbao W., Shihao L., Yuwei Z. Study on the settlement of large-span metro station’s baseplate caused by the tunnels newly built beneath it Advances // Mechanical Engineering. 2019, vol. 11(2), pp. 1–13. DOI: 10.1177/1687814018825161.

27. Marwan A. Computational Analysis of Segmental Linings in Mechanized Tunneling, Dr.-Ing., Institute for Structural Mechanics Faculty of Civil and Environmental Engineering Ruhr University Bochum, Bochum. 2019, 225 p.

28. Саммаль А. С., Анциферов С. В., Деев П. В. Аналитические методы расчета подземных сооружений. — Тула, 2013. — 111 с.

29. Анциферов С. В., Фомин А. В., Феклин А. А., Кудрявцев М. А. Исследование напряженного состояния массива пород и обделок параллельных тоннелей, сооружаемых вблизи горного склона // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2021. — Т. 8. — № 1. — С. 20–26. DOI: 10.15372/FPVGN2021080103.

30. Месхи Б. Ч., Плешко М. С., Войнов И. В., Кайшау Ж. Ж. З. Обеспечение безопасной эксплуатации транспортных тоннелей на основе прогнозного моделирования интенсивных геомеханических процессов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 8. — С. 86–96. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-8-0−86−96.

31. Костенко Б. В., Ларионов Р. И. Анализ натурных данных при строительстве эскалаторных тоннелей станций метро «Обводный Канал» и «Адмиралтейская» в г. Санкт-Петербурге при помощи тоннелепроходческого механизированного комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 9. — С. 48–64. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_48.

32. Thomas A. H. New challenges in numerical modeling // Proc. of the 11th Int. Conf. ‘Transport and City Tunnels’, Prague 14–16 June 2010. — Prague: Czech Tunnel Association ITA–AITES, 2010, рр. 721–725.

33. Лебедев М. О., Романевич К. В., Басов А. Д. Оценка взаимного влияния подземных сооружений метрополитена при строительстве и эксплуатации // Геотехника. — 2018. — Т. X. — № 1−2. — С. 82–92.

34. Деменков П. А., Карасев М. А., Потемкин Д. А. Геомеханическая оценка поэтапного строительства пилонной станции метрополитена глубокого заложения // Записки горного института. — 2011. — Т. 190. — С. 220–224.

35. Лебедев М. О. Влияние эксплуатационных нагрузок на изменение напряженнодеформированного состояния обделки транспортного тоннеля // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2021. — Т. 8. — № 1.– С. 108–114.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.