Проектирование тоннелей в условиях мягкой почвы

Проектирование туннелей в мягких грунтовых условиях требует тонкого понимания механики почвы и передовых методов строительства. Мягкая земля, включающая такие материалы, как глина, ил, лёсс и рыхлые пески, представляет собой значительные проблемы из-за ее низкой прочности на сдвигах, высокой сжимаемости и чувствительности к возмущениям. Без тщательного планирования проекты рискуют чрезмерным наземным поселением, нестабильностью туннелей и даже катастрофическим коллапсом. В этой статье рассматриваются критические соображения проектирования, методы строительства и стратегии управления рисками для туннелирования в мягкой земле, опираясь на установленные инженерные принципы и современные инновации. Для всеобъемлющего обзора международной передовой практики Международная ассоциация туннелирования и подземного пространства (ITA) обеспечивает обширные ресурсы на мягком наземном туннелировании.

Понимание мягких наземных условий

Мягкий грунт определяется его низкой неосушенной прочностью на сдвига, как правило, менее 50 кПа, и высокой сжимаемостью, что приводит к значительным деформациям под нагрузкой. Поведение таких грунтов при раскопках регулируется такими факторами, как начальное состояние напряжения, давление поры воды и почвенная ткань. Понимание этих условий является основой любой успешной конструкции туннеля.

Типы мягкой почвы

Геотехнические свойства

Ключевые геотехнические параметры, влияющие на проектирование туннеля, включают прочность на сдвиг (без измельчения и дренажа), сжимаемость (коэффициент изменения объема), проницаемость (влияющая на дренаж и консолидацию)] и на покое коэффициент давления на землю (K0). Например, в мягкой глине не дренированная прочность на сдвиг имеет решающее значение для расчета устойчивости поверхности и давления поддержки. Условия грунтовых вод одинаково важны; даже частичное насыщение может резко снизить прочность почвы. Для определения этих параметров необходимо тщательное исследование участка с скважинами, испытания на проникновение конуса (CPT) и установки пьезометра. Американское общество инженеров-строителей предлагает подробные руководящие принципы по геотехническим исследованиям для туннелирования в их

Общие проблемы в мягком наземном туннеле

  • Чрезмерное наземное поселение: Поверхностное поселение из-за потери объема при раскопках может повредить близлежащие сооружения, коммунальные службы и дороги.Оба краткосрочных (без дождевых) и долгосрочных (консолидация) поселения должны управляться.
  • Нестабильность лица: Лицо раскопок может рухнуть, если приложенное опорное давление недостаточно для уравновешивания давления земли и воды на месте, особенно в несвязанных почвах.
  • Сжатие грунта: В мягких глинах накладка туннеля может испытывать большие радиальные деформации из-за высокого давления перегрузки, требующего гибкой поддержки или увеличенной толщины кольца.
  • Ввод воды: Высокие уровни грунтовых вод могут привести к притоку воды в туннель, размыванию частиц почвы и ослаблению окружающей почвы. Это особенно проблематично в проницаемых песках и илах.

Геотехническое исследование мягких наземных туннелей

Перед началом проектирования обязательно проведение комплексного геотехнического исследования. Сюда входят разведка месторождений, лабораторные испытания и мониторинг грунтовых вод. Критически важны следующие шаги:

  • Борейные скважины и отбор проб: Непрерывный отбор проб ядра с интервалами вдоль выравнивания туннеля для идентификации почвенных слоев и получения неповрежденных образцов для испытаний.
  • Тестирование in-Situ: Стандартные испытания на проникновение (SPT) и испытания на проникновение в конусы (CPT) в песках; тесты на сдвиг лопастей и испытания на измеритель давления в глине для измерения неосушенной прочности и модуля.
  • Мониторинг грунтовых вод: Установка стоек или пьезометров для измерения гидравлической головки, проницаемости и потенциальных артезианских условий.
  • Лабораторное тестирование: Консолидационные тесты (эдометр), триаксиальные тесты сдвига (UU, CIU, CID) и тесты на индексное свойство (пределы Аттерберга, распределение размера зерна).

Данные этих исследований используются для разработки наземной модели, которая предсказывает поведение при раскопках. Для сложных участков часто используется численное моделирование (например, анализ конечных элементов) для моделирования деформационных и стрессовых изменений. Эта модель непосредственно информирует о выборе систем поддержки и методов строительства.

Ключевые соображения дизайна для туннелей в мягкой местности

Улучшение грунта

Улучшение свойств почвы in-situ перед раскопками может значительно снизить риски. Общие методы улучшения почвы включают:

  • Стабилизация почвы: Смешивание цемента, извести или полимерных связующих веществ с почвой для повышения прочности и снижения сжимаемости. Это эффективно для сплоченных почв, таких как глина и ил.
  • Грутинг: Инъекция цементных, химических или смоловых заготовок для заполнения пустот и снижения проницаемости.Проникновение затирки хорошо работает в песках, в то время как струйная затирка создает колонны улучшенной почвы, пригодные для стабилизации лица.
  • Предустановка и вертикальные дренажи: Применение временной доплаты для консолидации мягких глин, сокращение долгосрочных населенных пунктов. Уикские дренажи ускоряют дренаж и время консолидации.
  • Компэкшн-качка: Накачка низкосварной затирки для уплотнения рыхлых гранулированных почв, смягчения потенциала сжижения.

Системы поддержки

Непосредственные и постоянные системы поддержки должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать нагрузки, налагаемые мягким грунтом, при этом допуская контролируемые деформации.

  • Шоткрет: Применяется пневматически в слоях, часто с армированием стальным волокном.Шоткрет обеспечивает немедленное время стояния для последовательно выкопанных туннелей, таких как в NATM.
  • Стальные ребра и решетки Жирдерса: Устанавливаются с регулярными интервалами для обеспечения структурной поддержки до тех пор, пока не будет размещена конечная облицовка. Ребра особенно полезны при сдавливании грунта, где ожидаются высокие деформации.
  • Пересмотр Сегментных Обшивок: Используемые с операциями по МД, эти бетонные сегменты обеспечивают прочную, водонепроницаемую конечную обшивку сразу после монтажа. Сегменты предназначены для сопротивления как сжимающим, так и растягивающим силам, а их геометрия (например, конические кольца) позволяет управлять кривой.
  • Pipe Umbrella Systems: В слабом грунте стальные трубы устанавливаются по периметру туннеля впереди лица, чтобы создать защитный навес, снижая риск обрушения лица.

Форма и размер туннеля

В мягкой земле круговая форма часто предпочтительнее, потому что она равномерно распределяет напряжения обруча и минимизирует моменты изгиба в подкладке. Там, где ограничения пространства или функциональные требования диктуют некруглые формы (например, подковы для дорожных туннелей), конструкция должна учитывать повышенные напряжения изгиба в инвертном и коронном. Факторы, влияющие на размер, включают пропускную способность, вентиляцию поперечного сечения и клиренс для коммунальных услуг. Для туннелей большого диаметра стабильность лица становится более важной из-за большего неподдерживаемого пролета, что требует передовых систем поддержки.

Контроль воды

Управление подземными водами является одним из наиболее сложных аспектов мягкого подземного туннелирования. Высокие притоки воды могут разрушать штрафы, приводя к полостям и внезапным коллапсам. Меры контроля включают:

  • Обезвоживание: Накачка грунтовых вод из скважин вокруг выравнивания туннеля для временного опускания уровня грунтовых вод в песках, но может привести к консолидации грунтовых вод в глине, если не будет тщательно управляться.
  • Сжатый воздушный туннель: Использование сжатого воздуха в туннеле для уравновешивания давления подземных вод, предотвращения притока.Однако этот метод опасен из-за рисков для здоровья работников (декомпрессионная болезнь) и в настоящее время встречается реже.
  • Системы гидроизоляции: Установка полупроницаемых или непроницаемых мембран между первичной и вторичной облицовками. Для сборных сегментных облицовок прокладки на сегментных соединениях обеспечивают водонепроницаемость.
  • Занавески для подачи: Впрыскивание низкопроницаемой затирки в почву вокруг туннеля для создания барьера для потока воды, часто используемого в проницаемых почвах с высоким давлением воды.

Мониторинг и гибкость

Измерение и мониторинг необходимы для проверки проектных допущений и внесения корректировок в режиме реального времени. Метод наблюдения, формализованный Пеком (1969), позволяет инженерам изменять строительные процедуры на основе наблюдаемого поведения. Ключевые параметры мониторинга включают:

  • Населения поверхности: Измеряется с помощью точных выравнивающих массивов, электронного измерения расстояния (EDM) или сканирования LIDAR.
  • Движения по глубине грунта:] Инклинометры и экстенсомеры, установленные в скважинах для мониторинга смещения грунта на глубине.
  • Пьезометры для отслеживания изменений во время обезвоживания или раскопок, предупреждая о потенциальной нестабильности.
  • Линирующий стресс и напряжение: Измерители напряжения и нагрузочные клетки, встроенные в подкладку для мониторинга структурного здоровья.

Уровни триггеров должны быть определены во время проектирования - например, если расчет превышает порог, может быть запущена затирка или дополнительная поддержка. Гибкость в конструкции, такая как регулируемое расстояние между кольцами или постановочная установка накладки, учитывает непредвиденные условия на земле.

Методы строительства мягких наземных туннелей

Выбор метода строительства зависит от глубины туннеля, типа почвы, условий грунтовых вод и проектных ограничений. Три основных метода - это машины для резки и покрытия, туннельные буровые машины (МБР) и новый австрийский метод туннелирования (NATM).

Обрезка и покрытие

Этот метод включает в себя выемку траншеи с поверхности, строительство структуры туннеля внутри нее, затем засыпку. Он лучше всего подходит для неглубоких туннелей (до 10-15 м глубиной) на открытых участках с минимальной разработкой поверхности. Два распространенных варианта - строительство снизу вверх и сверху вниз. Снизу включает в себя полную выемку, а затем строительство туннеля снизу. Сверху используются временные стены (например, секантные сваи) для поддержки сторон, в то время как крыша строится сначала, затем выемка продолжается ниже. Для мягкого грунта используются системы поддержки, такие как листовые сваи или стенки суспензии, чтобы предотвратить обрушение стены. Обезвоживание часто требуется, и мониторинг поселений имеет решающее значение из-за мелкого покрытия.

Туннельные Борющие Машины (TBM)

МБР все чаще доминируют в мягких наземных туннелях из-за их скорости, безопасности и минимального разрушения поверхности. В мягких грунтах используются два основных типа МБР:

  • Баланс давления на Земле (EPB) ТБМ: Выкопанная почва используется в качестве среды давления в столярной камере для поддержки лица. Почва смешивается с добавками (пена, бентонит) для контроля проницаемости и консистенции. EPB машины идеально подходят для сплоченных почв и смешанных условий, где давление грунтовых вод умеренное. Они предлагают отличный контроль давления на поверхности, уменьшая поселение.
  • Шлейфовые ТБМ:] Бентонитовая суспензия используется для давления на лицо и транспортировки выкопанной почвы. Суспензия образует фильтрующий торт на лице, стабилизируя его даже при высоком давлении воды. Шлюзовые щиты предпочтительны для проницаемых песков и гравий, где контроль грунтовых вод имеет решающее значение. Суспензионная очистная установка на поверхности отделяет почву от бентонитовой жидкости.

Оба типа требуют непрерывной установки накладки с использованием сборных сегментов. В конструкции МД должен учитываться весь спектр ожидаемых наземных условий, включая валуны или препятствия, которые могут потребовать вмешательства. Для подробных спецификаций обратитесь к публикациям Международного общества рок-механики (ISRM) по туннелированию МД.

Новый австрийский метод туннелирования (NATM)

Также известный как метод последовательного раскопки (SEM), NATM полагается на мобилизацию прочности окружающего грунта, позволяя контролируемые деформации. Первичная опора - обычно брусчатка, каменные болты и стальные арки - устанавливается сразу после раскопок, в то время как окончательная облицовка отливается после стабилизации деформации. В мягком грунте NATM требует тщательного мониторинга для ограничения деформаций в пределах приемлемых допусков. Ключевые элементы дизайна включают:

  • Последовательность раскопок: Лицо делится на верхнюю рубрику, скамейку и инвертированные ступени для уменьшения неподдерживаемого пролёта.В очень мягком грунте верхняя рубрика может быть дополнительно подразделена.
  • Поддержка лица: Стеклянные дюбели или горизонтальная струйная затирка могут быть установлены перед лицом для предотвращения нестабильности.
  • Тонкие, гибкие обшивки: Накладка из дроссельной заслонки предназначена для небольшого упругости, позволяя земле выгибаться вокруг туннеля. Это уменьшает моменты изгиба, но требует надежного приборного оборудования для обеспечения безопасности.

NATM выгодно там, где необходимы некруглые поперечные сечения или где доступ к крупному противотуберкулезному оборудованию затруднен, однако для этого требуются высококвалифицированные экипажи и постоянный мониторинг, что делает его менее подходящим для проектов со строгим графиком или слабым грунтом, который не может быть безопасно обнажен.

Оценка рисков и смягчение

Управление рисками является неотъемлемой частью мягкого подземного туннелирования. Общие риски включают:

Оценки рисков до строительства, вероятностное моделирование (например, моделирование наземных условий Монте-Карло) и планы на случай непредвиденных обстоятельств для улучшения наземных условий являются стандартными. Договорные рамки, такие как условия контракта Международной федерации инженеров-консультантов (FIDIC), часто распределяют геотехнический риск между владельцем и подрядчиком.

Тематические исследования и извлеченные уроки

Несколько известных туннельных проектов иллюстрируют принципы мягкого наземного проектирования. Канал туннель , построенный через меловой марль, использовал ТБМ с систематическим мониторингом лица для поддержания стабильности. Бостонская центральная артерия / туннель , использовал глубокие суспензионные стены и NATM в мягкой Бостонской синей глине, успешно ограничивая поселения менее чем 2 см во многих областях. Напротив, туннель Сторбейльт в Дании столкнулся со значительными проблемами с выдавливанием земли, требуя перепроектированных накладок и длительного времени строительства. Эти случаи подчеркивают важность надежных геотехнических исследований, гибкого дизайна и адаптивных стратегий строительства.

Заключение

Проектирование туннелей в мягкой почве - это баланс понимания поведения почвы, применения соответствующих улучшений грунта и выбора методов строительства, которые соответствуют всем условиям; успешные проекты объединяют тщательные геотехнические исследования, реалистичное моделирование и постоянный мониторинг с гибкостью для адаптации. От методов улучшения грунта, таких как затирка и предварительная загрузка, до передовых МБР с активным контролем лица, инструменты, доступные сегодняшним инженерам, позволяют безопасно и эффективно туннелировать даже в самых сложных мягких наземных средах. Придерживаясь установленных принципов проектирования и обучения из прошлых проектов, туннельная промышленность продолжает раздвигать границы того, что возможно под землей.