ВЛИЯНИЕ СЛОИСТОСТИ ГРУНТОВОГО МАССИВА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЗАБОЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ МЕТРО МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ ЩИТАМИ С ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ

Аннотация. В статье представлено исследование влияния слоистости грунтового массива на напряженно-деформированное состояние при строительстве тоннелей. Установлено, что различия в физико-механических свойствах смежных слоев могут привести к локальной концентрации напряжений на контуре выработки, что существенно усложняет расчет необходимого поддерживающего давления. В отличие от однородных условий, слоистые массивы формируют неоднородные зоны деформирования, размеры и формы которых зависят от позиции и характеристик слоев. Отмечена необходимость комплексного геотехнического анализа с использованием численного моделирования с учетом реальной геометрии массива для точного прогноза поведения массива. Для обеспечения устойчивости забоя при строительстве тоннеля критически важно использовать адаптивное управление давлением пригруза, оперативно учитывающее изменяющиеся геологические условия. Современные методы машинного обучения и искусственного интеллекта позволяют произвести их интегрирование в системы автоматического управления, что может позволить в реальном времени корректировать давление на основе данных мониторинга и оптимизировать процесс проходки. Разработка таких интеллектуальных систем существенно повысит безопасность и эффективность строительства тоннелей в сложных слоистых грунтовых условиях.

Abstract. The paper presents a comprehensive investigation of the impact of soil stratification on the stress-strain state during tunnel excavation. It has been established that disparities in the physico-mechanical properties of adjacent strata can precipitate localized stress concentration at the excavation perimeter, thereby substantially complicating the determination of requisite support pressure. In contradistinction to homogeneous conditions, stratified soil masses engender heterogeneous deformation zones whose dimensions and geometries are contingent upon the position and characteristics of the individual layers. The necessity for integrated geotechnical analysis utilizing numerical simulation that accounts for the actual mass geometry has been emphasized, ensuring accurate prognosis of mass behavior. To guarantee excavation face stability during tunnel advancement, adaptive face support pressure management is critically imperative, dynamically accommodating the evolving geologic conditions. Contemporary machine learning and artificial intelligence methodologies enable their integration into automated control systems, facilitating real-time adjustment of face pressure on the basis of monitoring data and optimization of the advancement process. The development of such intelligent systems will substantially augment both safety and operational efficiency of tunnel construction under complex stratified soil conditions.

Ключевые слова: многослойный грунтовый массив, щит с пригрузом забоя, давление пригруза, устойчивость забоя тоннеля, численное моделирование.

Keywords: layered soil mass, shield tunneling with face pressure control, face pressure, tunnel face stability, numerical modeling.

Введение

Строительство тоннелей метро требует комплексного понимания взаимодействия механизированного проходческого оборудования с грунтовыми массивами, имеющими широкий диапазон физико-механических свойств [1-3]. Современные механизированные щиты с системой регулирования давления пригруза на забое стали стандартной технологией при сооружении перегонных тоннелей в водонасыщенных и слабых грунтовых массивах, однако до сих пор недостаточно точный учет поведения слоистых массивов в процессе строительства создаёт существенные риски как для безопасности строительства, так и для окружающих объектов.

На сегодняшний день в определенных сложных геотехнических условиях современные исследования в недостаточной степени учитывают влияние многослойности грунтового массива на устойчивость забоя, характер перераспределения напряжений в массиве и динамику развития деформаций земной поверхности. Данное упущение может в значительной степени влиять на развитие методологий проектирования и оптимизационных режимов поддержания давления в забое тоннеля. Настоящее исследование обозревает имеющиеся недостатки и возможные пути их решения.

Влияние слоистости массива на его напряженно-деформированное состояние

Слоистость грунтового массива может в значительной степени влиять на развитие напряжений и деформаций в сравнении с однородными условиями. В однородной среде прогноз поля напряжений не представляет большого труда при проектировании тоннеля и прогнозе необходимого поддерживающего давления в его забое, однако строительство в слоистых массивах способно внести резко асимметричное распределение напряжений вследствие различия деформационных и прочностных свойств смежных слоёв. Контакты же между слоями могут создавать локальную концентрацию напряжений, обусловленную вышеупомянутыми различиями в физико-механических свойствах грунтов и существенно повышающую напряжения на контуре выработки.

Как следствие, недостаточно точно рассчитанное давление в забое тоннеля может привести к выпучиванию или разрушению забоя тоннеля внутрь выработки. Величина влияния слоистости коррелирует непосредственно с разницей в значениях характеристик слоев. Такое явление требует комплексного геотехнического анализа, нежели применения упрощённых расчетов в условиях однородности массива.

Определение положения контакта между слоями относительно геометрии тоннеля не менее важный фактор для понимания перераспределения напряжений. Учет упомянутых факторов позволит применять адаптивные схемы проходки, корректирующие технологические параметры щита в соответствии с изменяющимися в процессе строительства тоннеля стратиграфическими условиями.

Принципы регулирования давления пригруза и механизмы его воздействия

Обеспечение устойчивости забоя путём контроля давления пригруза представляет критически важный проектный параметр при щитовом строительстве [13, 14]. Базовый принцип заключается в поддержании активного силового равновесия внутри герметичной камеры щита относительно окружающего тоннель грунтового массива для предотвращения движения грунта внутрь выработки.

Существующие аналитические методы для прогноза устойчивости однородного грунтового массива позволяют рассчитывать требуемое поддерживающее давление на основе расчета веса призмы предельного состояния различной формы и размеров и гидростатического давления подземных вод. Эти классические подходы предполагают чётко определённую форму поверхностей разрушения. Применение таких методик в условиях строительства в неоднородных массивах возможно при точном учете влияния слоистости. Сложность проблемы обусловлена существованием широкого диапазона отличающихся по форме призм разрушения грунтового массива. Разрушение может как локализоваться в менее прочных слоях, не распространяясь на всё сечение забоя, так и иметь более широкую область, затрагивающую весь забой, что в значительной степени сказывается на площади оседания земной поверхности. Такие резкие отличия в формах и размерах призм разрушения грунтовых массивов могут требовать применения модифицированных методик расчёта давления, специфичных для слоистых условий.

Зона деформирования грунтового массива в слоистых массивах

Зона деформирования грунтового массива представляет собой зону, в которой произошел процесс деформирования массива относительно его ненарушенного состояния вследствие ведения строительных работ. В однородном грунте зона развивается в виде определенных форм с чётко выраженной осью над центром тоннеля, например, в виде гауссовой кривой, в то время как в слоистых массивах форма свода может подвергаться существенным искажениям (рис. 1). Например, залегающие выше более прочные слои, могут снизить скорость и степень распространения деформаций посредством образования несущей поверхности при ослаблении нижезалегающих слоев. Однако в противоположной ситуации может возникнуть увеличение размеров зоны деформирования.

Рисунок 1. Поперечный профиль мульды осадок и описывающие её основные критерии

Точный прогноз формы и размеров зоны деформирования в слоистых грунтовых массивах возможен с учетом применения численного моделирования с учётом реальной геометрии слоёв и изменения механических характеристик [6-8].

С учетом вышеупомянутого можно с уверенностью сказать, что разработка необходимого метода требует точного геомеханического расчета и широкого диапазона верификации с учетом существующего опыта строительства тоннелей в слоистых грунтовых массивах.

Оптимизация управления давлением пригруза в условиях строительства тоннелей в слоистых массивах

Управление давлением пригруза в реальном времени требует адаптивных методов, динамично реагирующих на изменяющиеся геологические условия [9, 10].

В современные системы автоматического управления щитом необходимо интегрировать алгоритмы машинного обучения, прогнозирующие оптимальные значения поддерживающего давления на основе данных, получаемых с систем мониторинга. Такая система должна быть способна обрабатывать изменение геологических факторов, показатели работы оборудования в режиме реального времени. Формирующиеся подходы с использованием искусственного интеллекта способны существенно повысить безопасность и эффективность строительство тоннелей в слоистых грунтовых массивах. Обучение искусственных нейронных сетей при этом необходимо провести на базе комплексных наборов данных, включающих геологические параметры, показатели оборудования, структуру грунтового массива и значения осадок земной поверхности.

Заключение

Проведённый анализ показал, что слоистость грунтового массива - один из ключевых факторов, усложняющих прогноз напряжённо‑деформированного состояния тоннеля по сравнению с однородной средой. Различия в деформационных и прочностных характеристиках смежных слоёв, а также наличие контактов между могут привести к локальной концентрации напряжений на контуре выработки и существенно влиять на устойчивость забоя. В таких условиях использование классических расчётных схем для однородных массивов способно привести к неверному расчету требуемого давления пригруза, что приводит к повышенному риску разрушения забоя и роста деформаций земной поверхности.

Показано, что характер и степень влияния слоистости напрямую коррелируют с разницей в механических свойствах слоёв и положением контакта между ними относительно геометрии тоннеля. В результате форма и размеры зоны деформирования в слоистых массивах могут заметно отличаться от классических схем для однородных массивов.

Определение требуемого поддерживающего давления в забое в условиях слоистого массива невозможно без комплексного геомеханического анализа, включающего учёт реальной геометрии слоёв, их физико‑механических характеристик и возможных вариантов формирования призм разрушения. При этом диапазон возможных форм и размеров зон деформирования в слоистых грунтах значительно шире, чем в однородной среде, что диктует необходимость разработки модифицированных методик расчёта давления пригруза, специально адаптированных к рассматриваемым условиям.

Особую значимость имеют адаптивные схемы управления давлением пригруза в реальном времени, ориентированные на работу в слоистых массивах.

Строительство тоннелей в слоистых грунтовых массивах должно основываться на интегрированном подходе, сочетающем детальное инженерно‑геологическое обследование, численное геомеханическое моделирование и интеллектуальные системы управления технологическими параметрами. Разработка и верификация таких методик на базе накопленного опыта строительства в слоистых массивах способны повысить надёжность прогноза, снизить риски аварийных ситуаций и повысить общую эффективность и безопасность строительства тоннелей.