Фактическое значение коэффициента перебора для тоннелей в дисперсных и скальных грунтах

Интенсивное развитие подземного пространства ставит перед собой задачу получения реалистичных результатов прогнозирования дополнительных деформаций при тоннелепроходческих работах. Полученные результаты в полной мере должны отражать необходимость контроля деформаций и проведения противоаварийных мероприятий. Недостаточные или, наоборот, завышенные результаты могут привести к аварийным случаям или к отсутствию экономической эффективности проекта. При расчетах оценки влияния необходимо учитывать коэффициент перебора (C_ref) – параметр, влияющий на расчетные значения. Однако его величина, представленная в действующей нормативной документации, значительно завышена, что способствует увеличению дополнительных расчетных осадок зданий, а также увеличению расчетной зоны влияния. В данном исследовании на примере строительства новой ветки Московского метрополитена авторы осуществили корректировку коэффициента перебора методом обратного пересчета для тоннелей диаметром 6 м в дисперсных грунтах, а также в случае, когда забой состоит из нескольких грунтов, включая скальные породы. Необходимо отметить, что расчетный коэффициент перебора –- это приведенный параметр, который учитывает конусность щита и кольцевой зазор при условии обеспечения устойчивости забоя. Кроме того, проведено сопоставление максимальных дополнительных перемещений объекта мониторинга и давления нагрузки в рассматриваемой точке. По результатам исследований даны рекомендации по назначению величины параметра в плоских схемах: C_ref для песка равен 1,2, а для глины – 0,7. Результаты анализа взаимосвязи между дополнительными перемещениями и давлением пригруза показали, что недостаточное давление пригруза приводит к лобовому перебору грунта и в результате к превышению прогнозируемых значений. В данной работе авторы опубликовали сводную таблицу коэффициентов перебора, которые являются успешным инструментом для прогнозирования в совокупности с грамотным подбором величины давления пригруза. Дополнительно даны рекомендации по назначению и учету коэффициента условия работы.

А.З. ТЕР-МАРТИРОСЯН¹, д-р техн. наук, проректор (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
Р.Х. ЧЕРКЕСОВ², генеральный директор (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
И.О. ИСАЕВ², директор по научно-технической деятельности (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
В.В. РУДЬ¹, аспирант кафедры механики грунтов и геотехники (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
² ООО Институт «Мосинжпроект» (101000, г. Москва, Сверчков пер., 4/1)

1. Анищенко В.И., Атрушкевич В.А. Разработка структурной схемы для систем грунтопригруза при строительстве закрытых горных выработок и подходов прямоугольного сечения к продуктивным пластам через аллювиальные и смешанные геологические формации механизированным способом // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2019. № 1. С. 66–77. DOI:https://doi.org/10.26730/1999-4125-2019-1-66-77
1. Anishchenko V.I., Atrushkevich V.A. Development of a structural scheme for soil-loading systems during the construction of closed mine workings and approaches of rectangular cross section to productive strata through alluvial and mixed geological formations in a mechanized way. Vestnik KuzGTU. 2019. No. 1, pp. 66–77. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.26730/1999-4125-2019-1-66-77
2. Мазеин С.В. Приборный контроль, прогноз и регулирование рабочих параметров щитовой проходки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. № 3. С. 90–96.
2. Mazein S.V. Instrument control, forecasting, and regulation of working parameters of the shield driving. Gorny informatsionno-analiticheskiy bulletin. 2011. No. 3, pp. 90–96. (In Russian).
3. Фугенфиров А.А. Строительство транспортных тоннелей: Учебное пособие. Омск: СибАДИ, 2007. 306 с.
3. Fugenfirov A.A. Stroitel’stvo transportnyh tonnelej: uchebnoe posobie [Construction of transport tunnels: a study guide]. Omsk: SibADI. 2007. 306 p.
4. Guglielmetti V., Grasso P., Mahtab A., Xu S. Mechanized Tunnelling in Urban Areas: Design methodology and construction control (1st ed.). CRC Press. 2007. 528 с. DOI: https://doi.org/10.1201/9780203938515
5. Мазеин С.В. Оперативный контроль пористости грунта на тоннельной щитовой проходке // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № 3. С. 106–115.
5. Mazein S.V. Real-time monitoring of soil porosity in tunneling using a shield driving method. Gorny informatsionno-analiticheskiy bulletin. 2009. No. 3, pp. 106–115. (In Russian).
6. Mollon G., Dias D., Soubra A.-H. Probabilistic analyses of tunneling-induced ground movements. Acta Geotechnica. 2013. Vol. 8, pp. 181–199. DOI: https://doi.org/10.1007/s11440-012-0182-7
7. Wang F., Du X., Li P. Predictions of ground surface settlement for shield tunnels in sandy cobble stratum based on stochastic medium theory and empirical formulas. Underground Space. 2023. Vol. 11, pp. 189–203. DOI: https://doi.org/10.1016/j.undsp.2023.01.003
8. Lavasan А.А., Zhao C., Barciaga T., Schaufler A., Steeb H, Schanz Т. Numerical investigation of tunneling in saturated soil: the role of construction and operation periods. Acta Geotechnica. 2018. Vol. 13. No. 2, pp. 671–691. DOI: https://doi.org/0.1007/s11440-017-0595-4
9. Скворцов А.А. Оценка влияющих факторов на итоговую величину строительного зазора // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 8. С. 129–133.
9. Skvorcov A.A. Estimation of influential factors on the final magnitude of construction clearance. Gorny informatsionno-analiticheskiy bulletin. 2012. No. 8, pp. 129–133. (In Russian).
10. Attewel P.B., Yeates J., Selby A.R. Soil movements inducted by tunneling and their effects on pipelines and structure. NY.: Glasgow and London Published in the USA by Chapman and Hall. 1986. 325 p.
11. Li Z., Lv J., Xie X., Fu H., Huang J., Li Z. Mechanical characteristics of structures and ground deformation caused by shield tunneling under-passing highways in complex geological conditions based on the MJS method. Applied Sciences. 2021. Vol. 11. No. 19, pp. 9323. DOI: https://doi.org/10.3390/app11199323
12. Boone S., Artigiani E., Shirlaw J.N., Ginanneschi R., Leinaala T. Use of ground conditioning agents for Earth Pressure Balance machine tunneling. In Congres International de Chambéry–Octobre. Chambery, France. 2005, pp. 313–319.
13. Anagnostou G., Kovari K. Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields. Tunnelling and Underground Space Technology. 1996. Vol. 11. No. 11, pp. 165–173.
14. Park B., Lee C., Choi S., Kang T., Chang S. Discrete-element analysis of the excavation performance of an EPB shield TBM under different operating conditions. Applied Sciences. 2021. No. 11, pp. 5119. DOI: https://doi.org/10.3390/app11115119
15. Liu H., Shi J., Li J., Liu C. Investigation on the Influence Caused by Shield Tunneling: WSN Monitoring and Numerical Simulation. Advances in Civil Engineering. 2021, pp. 1–11. DOI: https://doi.org/10.1155/2021/6620706
16. Ter-Martirosyan A.Z., Cherkesov R.H., Isaev I.O., Shishkina V.V. Surface Settlement during Tunneling: Field Observation Analysis. Applied Sciences. 2022. Vol. 12, pp. 9963. DOI: https://doi.org/10.3390/app12199963
17. Nuttens T., Stal C., Backer H., Schotte K., Bogaert P., Wulf A. Methodology for the ovalization monitoring of newly built circular train tunnels based on laser scanning: Liefkenshoek Rail Link (Belgium). Automation in Construction. 2013. Vol. 43, pp. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.autcon.2014.02.017
18. Bowers K.H., Hiller D.M. Ground movement over three years at the Heathrow Express Trial Tunnel. Geotechnical aspects of underground construction in soft ground. 1996, pp. 647–652.
19. Li L., Li J., Shi Z., Li L., Li M., Jin D., Dong G. Prediction of surface settlement induced by large-diameter shield tunneling based on machine-learning algorithms. Geofluids. 2022. Vol. 2022, pp. 1–13. DOI: https://doi.org/10.1155/2022/4174768
20. Wood A.M. The Circular Tunnel in Elastic Ground. Geotechnique. 1975. Vol. 25, pp. 115–127. DOI: https://doi.org/10.1680/geot.1975.25.1.115
21. Verruijt A., Booker J.R. Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half plane. Geotechnique. 1996. Vol. 46. No. 4, pp. 753–756.
22. Loganathan N., Poulos H. G. Analytical Prediction for Tunneling-Induced Ground Movements in Clays. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 1998. Vol. 124, pp. 846–856. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(1998)124:9(846)
23. Lee K. M., Rowe R. K., Lo, K. Y. Subsidence owing to tunnelling. I: Estimating the gap parameter. Canadian Geotechnical Journal. 1992. Vol. 29. No. 6. DOI: https://doi.org/10.1139/t92-104
24. Park K-H. Analytical solution for tunnelling-induced ground movement in clays. Tunnelling and Underground Space Technology. 2005. Vol. 20, pp. 249–261. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tust.2004.08.009
25. Verruijt A. Complex variable solution for a deforming circular tunnel in an elastic half-plane. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 1997. Vol. 21, pp. 77–89.
26. Лиманов Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л.: ЛИИЖТ, 1957. 238 с.
26. Limanov Yu.A. Osadki zemnoj poverhnosti pri sooruzhenii tonnelej v kembrijskih glinah [Subsidence of earth’s surface in the construction of tunnels in Cambrian clays]. Leningrad: LIIZhT, 1957. 238 p.
27. Peck R B. Deep excavation and tunnelling in soft ground. In Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Sociedad Mexicana de Mecanica. Mexico City, Mexico. 1969, pp. 147–150.
28. Moller S.C. Tunnel induced settlements and structural forces in linings. D.Sc. Thesis. Stuttgart, Germany. 2006. 174 p.
29. Kim C.Y., Bae G.J., Hong S.W., Park C.H., Moon H.K., Shin H.S. Neural network based prediction of ground surface settlements due to tunneling. Computers and Geotechnics. 2001. Vol. 28. Iss. 6–7, pp. 517–547. DOI: https://doi.org/10.1016/S0266-352X(01)00011-8. 2001
30. Huang H., Chang J., Zhang D., Zhang J., Wu H., Li G. Machine learning-based automatic control of tunneling posture of shield machine. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2022. Vol. 14. Iss. 4, pp. 1153–1164. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2022.06.001
31. Панжин А.А., Панжина Н.А. Деформационный мониторинг воздействия строительства метрополитена на здания и сооружения. Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. Труды VI Международной конференции. Екатеринбург, 2019. С. 4–9.
31. Panzhin A.A., Panzhina N.A. Deformation monitoring of the impact of metro construction on buildings and structures. Design, Construction, and Operation of Underground Complexes. Proceedings of the VI International Conference. Ekaterinburg. 2019, pp. 4–9. (In Russian)
32. Zhang Z. X., Liu C., Huang X. Numerical analysis of volume loss caused by tunnel face instability in soft soils. Environmental Earth Sciences. 2017. Vol. 76, pp. 1–19. DOI: https://doi.org/10.1007/s12665-017-6893-1
33. Alsirawan R., Sheble A., Alnmr A. Two-dimensional numerical analysis for TBM tunneling-induced structure settlement: a proposed modeling method and parametric study. Infrastructures. 2023. Vol. 8 (5), pp. 88. DOI: https://doi.org/10.3390/infrastructures8050088
34. Sharafutdinov R.F., Isaev O.N., Zakatov D.S. A study of the ground volume loss modeling technique influence the soil displacement in course of shield tunneling. 2023. C. 1042–1051. DOI: https://doi.org/10.1201/9781003299127-147
35. Тер-Мартиросян А.З., Бабушкин Н.Ф., Исаев И.О., Шишкина В.В. Определение расчетного коэффициента перебора путем анализа данных мониторинга // Геотехника. 2020. Т. 12. № 1. C. 6–14. DOI: https://doi.org/10.25296/2221-5514-2020-12-1-6-14
35. Ter-Martirosyan A.Z., Babushkin N.F., Isaev I.O., hishkina V.V. Determining the actual ground loss of soil by analyzing monitoring data. Geotechnica. 2020. Vol. 12. No. 1, pp. 6–14. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.25296/2221-5514-2020-12-1-6-14
36. Тер-Мартиросян А.З., Исаев И.О., Алмакаева А.С. Определение фактического коэффициента перебора (участок «Стахановская улица» – «Нижегородская улица») // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 12. С. 1644–1653. DOI: https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.12.1644-1653
36. Ter-Martirosyan A.Z., Isaev I.O., Almakaeva A.S. Identification of the actual excess excavation ratio (Stakhanovskaya street – Nizhegorodskaya street site). Vestnik MGSU. 2020. Vol. 15, Iss. 12, pp. 1644–1653. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.22227/1997-0935. 2020.12.1644-1653
37. Тер-Мартиросян А.З., Кивлюк В.П., Исаев И.О., Шишкина В.В. Определение фактического коэффициента перебора (участок «Косино» – «Юго-Восточная»). Construction and Geotechnics. 2021. Т. 12. № 2. С. 5–14. DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9826/2021.2.01
37. Ter-Martirosyan A.Z., Kivlyuk V.P., Isaev I.O., Shishkina V.V. Determination of the actual excess excavation ratio (section “Kosino” – “Yugo-Vostochnaya”). Construction and Geotechnics. 2021. Vol. 12, No 2, pp. 5–14. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9826/2021.2.01
38. Тер-Мартиросян А.З., Кивлюк В.П., Исаев И.О., Шишкина В.В. Определение фактического коэффициента перебора в скальных грунтах // Жилищное строительство. 2021. № 9. С. 3–9. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2021-9-3-9
38. Ter-Martirosyan A.Z., Kivlyuk V.P., Isaev I.O., Shishkina V.V. Determination of the actual outbreak ratio in rocky soils. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2021. No. 9, pp. 3–9. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2021-9-3-9
39. Ter-Martirosyan A.Z., Cherkesov R.H., Isaev I.O., Rud V.V., Ambrushkevich M.I. Determination of parameters of the boundaries of the computational model for assessing the impact on the surrounding development from tunneling. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2023. Vol. 19. No. 2, pp. 95–108. DOI: https://doi.org/10.22337/2587-9618-2023-19-2-95-108
40. Воробьев Л.А., Чеботаев В.В. Определение давления пригруза при проходке тоннелей щитами с пеногрунтовым или бентонитовым креплением забоя. Труды международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы». М.: ТАР, 2002. C. 122–129.
40. Vorob’ev L.A., Chebotaev V.V. Determination of face pressure in shield tunneling with foam-soil or bentonite support systems. Proceedings of the International Scientific-Practical Conference ‘Tunnel Construction in Russia and CIS Countries in the Beginning of the Century: Experience and Perspectives’. Moscow, TAR, 2002, pp. 122–129. (In Russian).