Чисельний аналіз напружено-деформованого стану тунелів метрополітену в складних умовах з використанням

Анотація

Мета. Оцінка та прогнозний аналіз напружено-деформованого стану (НДС) ґрунтового масиву і конструктивних елементів оправлення тунелю метрополітену, що споруджується у складних гідрогеологічних умовах Києва (зокрема, у водонасичених глинистих ґрунтах), для мінімізації експлуатаційних ризиків та забезпечення стійкості підземних споруд. Методика. Розрахунок виконано методом чисельного моделювання на основі методу скінченних елементів (МСЕ) у програмному комплексі Midas GTS NX. У дослідженні використано нелінійну пружно-пластичну модель Мора–Кулона для опису поведінки ґрунту з урахуванням фізико-механічних характеристик масиву. Моделювання передбачає врахування поетапності щитової проходки, гідростатичного тиску порової води та взаємодії системи «ґрунт–оправлення» через контактні елементи. Для виключення крайових ефектів задано розрахункову область, що значно перевищує діаметр тунелю. Результати. Встановлено характер перерозподілу напружень і деформацій навколо тунелю діаметром 6 м на глибині 20 м. Значення максимальних вертикальних переміщень у лотку тунелю (здимання) становлять +10,9 см, тоді як осідання земної поверхні над склепінням зафіксовано на рівні 4,8 мм. Максимальні сумарні вертикальні напруження в нижній частині моделі досягають 1762 кПа. Аналіз порового тиску показав його лінійне зростання до 353кН/м², при цьому оправлення тунелю виконує функцію водонепроникного бар'єра. Визначено пластичні зони, сконцентровані в боках склепіння та лотку тунелю, що свідчить про перехід ґрунту в граничний стан у цих зонах. Наукова новизна. Встановлено залежності між гідрогеологічними умовами та характером формування зон пластичних деформацій для тунелів мілкого закладення в умовах Києва. Доведено, що у водонасичених глинистих масивах основним деформаційним чинником є інтенсивне здимання лотка внаслідок розвантаження, яке переважає над осіданням поверхні. Отримано нові дані щодо конфігурації пластичних зон масиву за умов одночасного впливу власної ваги ґрунту та гідростатичного тиску. Практична значимість. Отримані розрахункові дані дозволяють на стадії проєктування обґрунтовано обирати параметри армування залізобетонного оправлення та приймати рішення щодо необхідності додаткового закріплення навколишнього ґрунтового масиву. Це дає змогу суттєво знизити ризики підтоплення та нерівномірних деформацій тунелів, забезпечуючи надійне функціонування транспортної інфраструктури міста в умовах зростаючих навантажень.