8 Строительство щитового тоннеля (Урок 6)

Программа PLAXIS обладает возможностью создания тоннелей круглого и некруглого сечения и моделирования процесса их строительства. В настоящей главе рассматривается вопрос строительства щитовых тоннелей в грунтах средней мягкости. Строительство щитового тоннеля осуществляется путем выемки грунта перед проходческим комбайном и устройства за ним облицовки тоннеля. При этом грунт, как правило, удаляется с запасом, а это значит, что площадь поперечного сечения, занимаемая окончательной облицовкой тоннеля, меньше площади вынутого грунта. Хотя принимаются меры, чтобы заполнить этот пробел, нельзя устранить перераспределение напряжений и деформации грунта в ходе строительства тоннеля. С целью избежания повреждений существующих зданий и фундаментов на поверхности земли, необходимо прогнозировать эти эффекты и принять соответствующие меры. Такой анализ может выполняться с использованием метода конечных элементов. В настоящем уроке приводится пример подобного анализа.

Рис.8.1. Геометрия тоннеля с указанием слоев грунта.

1 - Слой глины

2 - Песчаный слой

3 - Глубокий слой глины

4 - Глубокий слой песка

Тоннель, рассматриваемый в данном уроке, имеет диаметр 5.0 м и расположен в среднем на глубине 20 м. Почвенный разрез свидетельствуют о наличии четырех различных слоев. Верхний слой мощностью 13 м состоит из пластичной глины с жесткостью, которая увеличивается с глубиной почти линейно. Под слоем глины залегает слой мелкозернистого песка мощностью 2.0 м. Этот слой известен как несущий слой для старых деревянных свай, на которых традиционно возводились дома. Деформации в этом слое могут вызывать повреждение обычных сооружений, что крайне нежелательно. Ниже песчаного слоя залегает глубокий слой суглинков мощностью 5.0 м.

Это один из слоев, в котором сооружается тоннель. Другая часть тоннеля сооружается в глубоком песчаном слое, который состоит из плотного песка с включениями гравия. Этот слой очень жесткий. В результате только 5.0 м этого слоя включены в модель конечных элементов; более глубокая часть рассматривается как полностью жесткая и моделируется по соответствующим граничным условиям. Распределение порового давления гидростатическое. Уровень грунтовых вод расположен на отметке 3 м ниже поверхности земли (на отметке у=0 м). Поскольку расположение более или менее симметрично, в модели плоской деформации учитывалась только одна симметричная половина (правая). От центра тоннеля модель простирается на 20 м в горизонтальном направлении. В данном примере применяется 15-узловый элемент.

8.1. Геометрия

Основная геометрия, в т.ч. четыре слоя грунта, как показано на рис. 8.1 (но без тоннеля), может создаваться с использованием варианта геометрической линии. Поскольку поверхность земли находится на отметке 3.0 м над контрольным уровнем, параметр Top принимается на отметке + 3.0 м в General settings (Общие параметры настройки), а Bottom (Дно) на отметке –22.0 м. Для создания тоннеля мы будем использовать проектировщика тоннеля, который является специальным инструментом в программе PLAXIS, позволяющим применять круглые сегменты для моделирования геометрии тоннеля. При этом тоннель рассматривается как правая половина круглого тоннеля, состоящая из четырех сегментов. После создания основной геометрии для проектирования круглого тоннеля выполняются следующие операции:

• Щелкнуть по кнопке Tunnel на панели инструментов. Появляется окно с тремя опциями для создания формы тоннеля. Выбрать опцию Half a tunnel – Right half (Половина тоннеля – Правая половина) и нажать кнопку ОК.

• Появляется проектировщик тоннеля (см. рис.8.2), показывающий форму (половину) тоннеля по умолчанию, состоящую из трех секций, из которых выбирается нижняя (секция 1). Справа в окне представлены некоторые геометрические значения.

• Убедитесь, что выбрана нижняя секция тоннеля (в противном случае выберите ее, щелкнув мышью по нижней секции).

• Верхнее значение в таблице – это радиус тоннеля. Введите радиус 2.5.м. Результат этой операции виден непосредственно на чертеже.

• Второе значение – это угол, под которым расположена секция. Введите угол 90 градусов (максимальный угол для одной секции).

• Локальная х-координата первой точки центра дуги всегда расположена на локальной оси y-координат (x=0). Локальная y-координата может уточняться. Используйте значение по умолчанию у=0.

• Выберите опции Tunnel lining (Облицовка тоннеля) и Tunnel interface (Стык тоннеля).

• Переходите к следующей секции (1). При нажатии клавиши <Enter> после каждого вводимого значения, программа переводит вас к следующей секции. И как вариант, вы можете щелкнуть по верхней секции тоннеля.

• Введите радиус 2.5 м и угол 90 градусов. За исключением первой точки центра дуги, все остальные центральные точки рассчитываются программой, и к ним нет доступа.

Данный тоннель имеет совпадающие центральные точки в начале локальной системы осей координат.

• Выбрать для секции 1 опции Tunnel lining и Tunnel interface.

Рис. 8.2. Проектировщик тоннеля с моделью по умолчанию правой половины тоннеля

Совет:

Облицовка тоннеля и стык могут определяться непосредственно по всем секциям тоннеля, щелкнув по соответствующим кнопкам в верхнем поле окна тоннеля. Облицовка тоннеля состоит из арочных балок. Свойства облицовки могут уточняться в базе данных по материалам балок. Аналогично стык – тоже арочный. В тоннеле, как указывается в пособии, секции не имеют особого значения, поскольку облицовка тоннеля однородная, а строительство тоннеля будет выполняться одним заходом. Вообще, секции приобретают значение, если: Необходима выемка грунта или строительство тоннеля (облицовки) на различных стадиях.Облицовка различных секций обладает различными свойствами. Учитываются шарнирные соединения в облицовке (шарниры могут предусматриваться после расчета тоннеля на общем чертежном поле). Форма тоннеля образована из арок с различными радиусами (например, тоннели в скальном грунте).

• Под окном Section group есть три параметра. Параметр Symmetric tunnel (Симметричный тоннель) всегда выбирается для половины тоннелей. Параметр Contraction (Усадка) может использоваться для моделирования потери объема грунта, обусловленной строительством тоннеля. Эта процедура может быть активирована в расчете для пластического состояния (см. 8.2 Расчеты). Выберите параметр Contraction и введите входную величину 1%. Теперь автоматически будет выбран параметр Homogeneous lining (Однородная облицовка).

Совет:

Активация процедуры Contraction при расчете для пластического состояния приводит к «сжатию» облицовки тоннеля, что уменьшает площадь поперечного сечения тоннеля. Параметр Contraction определяется как относительное сужение площади тоннеля, как процентное отношение к первоначальной площади тоннеля. Усадка может быть определена только для тоннелей круглого сечения с однородной облицовкой.

• Теперь проектирование тоннеля окончательно завершено. Нажмите кнопку OK, чтобы закрыть проектировщика тоннеля.

• Вернитесь на чертежное поле, тоннель должен быть включен в геометрическую модель. Это делается вводом общего положения начала локальных осей тоннеля. Щелкните на существующей точке в месте (0.0; -17.0) (5,0 м над нижней границей геометрической модели). Будет вычерчен тоннель и указан знаком «А» в центральной точке. «А» фактически относится скорее к усадке, чем к тоннелю.