Кинематическое поведение тоннелепроходческого комплекса в мягком грунте: теория и наблюдения
Современные технологии проходки щитовых тоннелей в сложных грунтовых условиях по-прежнему основаны на методе проб и ошибок, поскольку до сих пор отсутствует полное понимание физических процессов, определяющих взаимодействие между тоннелепроходческим комплексом (ТПК) и окружающим грунтом. Это вызывает особую обеспокоенность, поскольку было доказано, что взаимодействие между ТПК и грунтом, особенно смещение грунта вокруг периметра ТПК, вносит значительный вклад в общую деформацию грунта. В этом документе дается количественная оценка радиальных смещений грунта, вызванных движением TBM-shield по мягкому грунту. Смещения были получены с помощью модели, которая отражает несколько аспектов кинематического поведения TBM TBM, основанный на теоретических и геометрических соображениях. Теоретическая модель была проверена на соответствие TBM данные мониторинга получены в ходе строительства туннеля Хубертус, двухтрубного автодорожного туннеля, расположенного в Гааге, Нидерланды. Результаты показывают амплитуду и пространственное распределение смещения грунта по периметру экрана, как это происходило на практике.

При строительстве тоннеля с помощью тоннелепроходческого комплекса (ТПК) в условиях плотной застройки вызванные осадки, особенно дифференциальные осадки, могут привести к повреждению уже существующих конструкций (Mair et al., 1996). Точное прогнозирование этих осадок крайне важно для оценки допустимого ущерба существующим конструкциям (Netzel, 2009, Mair, 2011). Прогнозирование осадок также влияет на некоторые проектные решения, касающиеся расположения тоннеля и характеристик ТПМК, который будет использоваться при его строительстве (Каалберг и Хентшель, 1999). В связи с этим вызывает беспокойство тот факт, что характеристики машины в настоящее время не учитываются при расчёте осадок, даже несмотря на то, что фактическое смещение грунта сильно зависит от решений, принимаемых при управлении машиной, и её поведения во время земляных работ (Каспер и Мешке, 2006).
Хотя в большинстве современных прогнозов по прокладке тоннелей в мягких грунтах, будь то эмпирические, численные или аналитические прогнозы, в качестве исходных данных используется потеря объёма, на этапе проектирования сама величина потери объёма неизвестна, и в лучшем случае можно предположить лишь диапазон возможных значений. Даже в конечно-элементных моделях граничные условия часто упрощаются до такой степени, что теряется практически всякое представление о реальных физических процессах, особенно когда в качестве исходного условия используется только концепция потери объёма. Сложность проходки тоннелей сводится к одному комплексному параметру, который в основном определяет поведение тоннеля при сближении с ним. В результате получается модель, которая мало что отражает в реальном процессе проходки тоннелей и может быть использована только для оценки результирующих осадок при различных потерях входного объема. На самом деле такие модели нельзя использовать для определения процессов, происходящих во время строительства. Их также нельзя использовать для изучения отдельного влияния каждого процесса строительства на осадку грунта и его деформацию.
За последнее десятилетие были предприняты значительные усилия для создания передовых численных моделей, описывающих поэтапный процесс строительства механизированных щитовых тоннелей (Nagel, 2009). В них обычно учитываются такие детали, как характеристики ТПМК, выбор режима работы и движения, а также работа с технологическими жидкостями. Такие модели потенциально могут использоваться для прогнозирования последствий проходки тоннелей в мягких грунтах. Однако современное понимание взаимодействия между проходческими щитами с суспензионным покрытием и окружающей средой (т. е. грунтом, бентонитовой суспензией и цементным раствором, закачиваемым в хвостохранилище) ещё недостаточно детально, чтобы в полной мере отразить все эти аспекты в моделях (Bezuijen and Talmon, 2008). Тем не менее очевидно, что взаимодействие щита с грунтом и особенно смещение грунта вокруг периферии щита вносят значительный вклад в общую деформацию грунта (Sugimoto and Sramoon., 2002). Другие факторы, влияющие на конечные результаты, такие как выемка грунта, стратегия крепления забоя, тампонаж хвостовой части, уплотнение и затвердевание тампонажного раствора, а также деформация обделки тоннеля, также учитываются, но не рассматриваются в данной статье, которая посвящена моделированию физического взаимодействия между проходческим щитом, движущимся в мягком грунте, и окружающей средой.
Будет представлена модель, учитывающая несколько аспектов кинематического поведения ТПМК на основе теоретических и геометрических соображений. Модель была проверена с помощью данных мониторинга ТПМК, полученных во время строительства двухтрубного автодорожного тоннеля Hubertus в Гааге, Нидерланды. Результаты показывают амплитуду и пространственное распределение смещения грунта по периметру щита, как это происходило на практике.
Такая модель, представленная в работе Festa et al. (2011) на первом этапе разработки и получившая название «кинематическая модель проходческого щита», позволяет изучить точное продвижение проходческого щита в грунте. Модель позволяет количественно оценить смещения грунта, происходящие на границе между периферией проходческого щита и полостью, выкопанной в передней части проходческого щита совместным действием режущего колеса и режущей кромки. Эти смещения грунта называются смещениями на границе между щитом и грунтом.

Туннель Хубертуса
Туннель Хубертус был построен в период с 2006 по 2007 год и состоит из двух параллельных труб, северной и южной, длиной 1496,81 м и 1483,59 м соответственно. В каждой из двух труб диаметром 9400 мм есть по две полосы для автомобилей, движение в которых разделено. Туннель расположен в жилом районе, проходит близко к фундаментам некоторых домов и частично под несколькими невысокими зданиями на территории военных казарм.
Использованный тоннелепроходческий комплекс с гидрощитом имел длину 10 235  мм и передний диаметр
Теоретическая модель
Особенности системы позиционирования щита позволяют предположить, что движение ТПМК можно полностью описать последовательными положениями только двух его точек (вращение щита здесь не рассматривается). Движение недеформируемого прямоугольника (то есть упрощённого продольного сечения ТПМК вдоль его центральной точки), движущегося по круговой траектории с постоянной кривизной, описывается центром вращения, кривизной и углом между радиусом кривизны и прямоугольником.
Результаты и обсуждение
Смещение интерфейса непрерывно меняется вдоль щита и вокруг него. Сравнение поведения на трёхмерных графиках, показанных на рис. 7, интересно, но не всегда понятно. Лучше изучить поведение в ключевых точках ТБМ. Одной из таких точек является хвостовик щита. На рис. 10 показаны результаты в левой, верхней, правой и нижней точках окружности хвостовика как для южного, так и для северного расположения.
На каждом графике показан путь смещения интерфейса в ключевых точках
Выводы
Анализ кинематического поведения ТПМК при движении в мягком грунте позволяет получить надежный инструмент для определения физического взаимодействия между ТПМК и окружающим грунтом. Это особенно важно для повышения надежности тех численных моделей, которые предназначены для прогнозирования смещений грунта, вызванных проходкой, путем моделирования поэтапного строительства тоннелей. Такие модели часто показывают значительные улучшения при более реалистичном описании взаимодействия щита и грунта