Статья впервые опубликована в выпуске периодического издания «Геомеханика и тоннели» (Geomechanics and Tunneling Journal) за август 2024 года.
По мере роста городов инфраструктурные проекты в них становятся все более амбициозными; соответственно повышается спрос на проектирование и строительство тоннелей.
Это означает, что проектировщикам и инженерам приходится сталкиваться со все большим количеством проблем, особенно при усилиях безопасно и эффективно проложить тоннель через рыхлые грунты, где решающее значение имеют контроль оседания и обеспечение устойчивости.
В то же время ожидается, что занимающиеся прокладкой тоннелей компании будут делать больше при меньших издержках, в том числе работать в условиях более ограниченного бюджета, укладываться в более сжатые сроки и осознавать необходимость снижения пределов погрешности.
Работа не становится проще… Но есть способы снизить риск и неопределенность, а также повысить точность принимаемых вами решений при проектировании тоннелей.
Почему проектирование и строительство тоннелей в городской среде может требовать крепких нервов
Густонаселенные городские районы создают особый набор сложностей для инженеров и проектировщиков тоннелей. Существующие объекты инфраструктуры, коммунальные сети и здания находятся в непосредственной близости от прокладываемого тоннеля. Принимаются строгие меры по охране окружающей среды, такие как контроль шума, вибрации и пыли, чтобы смягчить воздействие на жителей и коммерческие предприятия. Кроме того, сама связанная с логистикой сложность эксплуатации тоннелепроходческих комплексов (ТПК) в замкнутых пространствах с ограниченным доступом может оказаться, мягко говоря, непростым испытанием.
Даже при подборе ТПК возникает уникальный ряд вопросов и требуется принимать сложные решения. Какой тип ТПК обеспечит наиболее эффективные результаты в данных обстоятельствах и грунтовых условиях — станки для проходки тоннелей с раскреплением (EPB) или щиты с гидротранспортом породы (Slurry Shield)? И как сделать правильный выбор?
Строительство спасательных и эвакуационных тоннелей линии проекта Tuen Mun–Chek Lap Kok Link. После проведения анализа чувствительности и параметров в PLAXIS 3D компании Golder Associates удалось сократить количество высокопрочных прямоугольных свай для стены в грунте (барет), необходимых для контроля деформации обделки тоннеля — овализации — со 158 до 106 барет. Изображение предоставлено компанией Golder Associates Hong Kong.
Как вернее выбрать оптимальный вариант при помощи числового моделирования
Точное и подкрепленное ценной информацией числовое моделирование обрело чрезвычайную значимость для достижения этих целей и необходимо для построения имитационных моделей поведения рыхлых грунтов в различных условиях нагрузки и дренажа. Задействуя передовые методы имитационного моделирования и уникальный взаимосвязанный геотехнический рабочий процесс Seequent, инженеры могут обеспечить безопасное, эффективное и устойчивое развитие подземной инфраструктуры в городских условиях.
“Решение PLAXIS от компании Seequent предоставляет комплексный набор подходов к числовому моделированию проходки тоннелей. Что немаловажно, оно одинаково хорошо работает с технологиями как станков для проходки тоннелей с раскреплением, так и щитов с гидротранспортом породы.”
Это программное решение позволяет инженерам создавать подробные геометрические структуры тоннелей и алгоритмы строительства с учетом особых требований обоих типов ТПК. Оно облегчает моделирование сложных форм тоннелей и внедрение различных типов крепи, обеспечивая точное и своевременное создание имитационных моделей процесса выемки грунта.
Числовое моделирование помогает инженерам оценивать взаимодействия между тоннелями и соседними структурами и конструкциями. Изображение предоставлено компанией Saidel Engineering
К основным функциям относится PLAXIS Tunnel Designer — мощный инструмент, специально созданный для проектирования тоннелей. Он поставляется с обширной библиотекой видов минерального сырья, а также интерфейсом автоматизации и создания сценариев, которые идеально интегрированы во взаимосвязанный рабочий процесс, предназначенный для совместной работы.
Таким образом, PLAXIS может играть ключевую роль в прогнозировании смещений и подвижек грунта, оценке эксплуатационных характеристик тоннелей и оптимизации стратегий обслуживания.
Проникая в суть проблем…
Значительная часть тоннелей проходит через рыхлые грунты, которые нередко обладают высокой степенью сжимаемости и низкой прочностью на сдвиг, что увеличивает риск осадки грунта и деформации тоннеля. Точные числовые модели помогают инженерам гарантировать устойчивость и целостность тоннеля на протяжении всего процесса его строительства и срока эксплуатации.
Наличие расположенных в непосредственной близости сооружений, таких как здания и другие тоннели, усложняет проекты строительства новых тоннелей. Процесс выемки грунта может вызвать в грунте подвижки, которые влияют на устойчивость и целостность этих конструкций. Числовое моделирование играет решающую роль в оценке потенциальных последствий и в разработке мер по их смягчению для защиты существующей инфраструктуры. Используя имитационное моделирование взаимодействия между тоннелем и окружающими грунтами, инженеры могут прогнозировать закономерности оседания, определять критические зоны и применять стратегии по сведению неблагоприятных последствий к минимуму. К таким стратегиям может относиться корректировка методов выемки грунта или установка защитных конструкций.
.…и выбирая подходящий тип ТПК
— Станки для проходки тоннелей с раскреплением (EPB) предназначены для контроля давления на грунт у забоя тоннеля. Они используют извлеченную породу для формирования пробки, уравновешивающей давление и снижающей до минимума осадку. Основным преимуществом станков для проходки тоннелей с раскреплением является их способность работать с различными типами грунтов, особенно высокопластичными и малопроницаемыми.
— Щиты с гидротранспортом породы используют находящийся под давлением шлам (обычно бентонит) для поддержки забоя тоннеля. Этот метод особенно эффективен в высокопроницаемых грунтах, таких как пески и гравий, где поддержание давления в забое имеет решающее значение. Щиты с гидротранспортом породы отлично справляются с контролем притока воды и сохранением устойчивости забоя. Отрицательным аспектом является сложность и затратность процессов обработки и разделения шлама, а также необходимость создания на поверхности обширной инфраструктуры для работ со шламом.
Функции и возможности
Как PLAXIS Tunnel Designer помогает группам проектировщиков тоннелей быстрее и увереннее принимать верные решения
PLAXIS Tunnel Designer позволяет инженерам создавать подробные геометрические структуры тоннелей и алгоритмы строительства с учетом особых требований как станков для проходки тоннелей с раскреплением, так и щитов с гидротранспортом породы. Это облегчает моделирование сложных форм тоннелей и внедрение различных типов крепи, обеспечивая точное и своевременное создание имитационных моделей процесса выемки грунта.
Обширная библиотека минерального сырья
PLAXIS может похвастаться библиотекой, в которой собрано большое число видов минерального сырья и которая необходима для точной симуляции разнообразных условий грунта и скальных пород, встречающихся при проходке тоннелей. Широкий спектр моделей свойств минерального сырья помогает инженерам воспроизводить специфическое поведение песка, глины и массива скальных пород при любых условиях нагрузки.
Автоматизация и создание сценариев
Интерфейс автоматизации и написания сценариев в PLAXIS повышает производительность и экономит время. Он делает числовое моделирование тоннелей более гибким, универсальным и нацеленным на решение строго определенных проблем конкретного проекта.
Инженеры получают возможность автоматизировать повторяющиеся задачи и настраивать процесс моделирования путем создания сценариев, что позволяет быстро выполнять итерации различных сценариев и тонкую поднастройку параметров модели. Это бесценно при работе в сложных и изменчивых условиях, часто связанных с применением станков для проходки тоннелей с раскреплением и щитов с гидротранспортом породы.
Взаимосвязанный рабочий процесс геотехнического моделирования
Рабочий процесс геотехнического моделирования Seequent легко интегрируется с PLAXIS, предоставляя взаимосвязанное и комплексное решение для проектирования и анализа тоннелей. В этом рабочем процессе используются передовые инструменты Seequent для управления данными, построения геологических моделей и визуализации. Возможно быстро и легко интегрировать геотехнические данные, конструктивные расчетные параметры и отслеживание хода строительных работ.
Подобные взаимосвязанные рабочие процессы становятся все более востребованной возможностью в рамках инфраструктурных проектов. Они обеспечивают всем заинтересованным сторонам доступ к свежей информации, улучшают совместную работу и снижают риски в ходе принятия решений на протяжении всего процесса строительства тоннеля.
Этот отрывок из основного текста воспроизведен в точности, поскольку в нем кратко приводятся важнейшие мысли, которые пытается донести эта рекламная статья. Тем не менее, если вы считаете это излишним повтором, мы можем пропустить эту часть и перейти непосредственно к разделу «Обширная библиотека минерального сырья»
PLAXIS играет важнейшую роль в прогнозировании смещений и подвижек грунта и в оценке эксплуатационных характеристик подводного транспортного тоннеля, построенного в невиданных до этого условиях.
Компанией Golder Associates Hong Kong Ltd проложен один из крупнейших в мире искусственных подводных тоннелей протяженностью 4,1 км на невероятной до сих пор глубине 55 м под поверхностью. Строительство тоннеля выполнено при помощи ТПК в рамках проекта Tuen Mun–Chek Lap Kok Link. Столкнувшись с чрезвычайно сложными грунтовыми условиями на территории недавно осушенных земель Гонконга, специалисты компании знали, что традиционные геотехнические методы не обеспечат необходимый уровень контроля подвижек грунта, который позволил бы достичь требуемого срока эксплуатации тоннеля в 120 лет.
При помощи PLAXIS в Golder Associates разработан проект, отвечающий высоким требованиям к давлению шлама на забое ТПК, необходимого для поддержания устойчивости. Кроме того, благодаря достигнутой оптимизации сроки строительства сокращены на два месяца, выбросы углекислого газа снижены на 1500 тонн, а также сэкономлены средства в размере 16 млн долл. США.