Зеленая линия метро в Тель-Авиве. Проектирование подземных станций метро в PLAXIS 2D

Проект Зелёной ветки

Проект Зелёной ветки — это линия легкорельсового транспорта, которая соединит южные районы агломерации Гуш-Дан. Она представляет собой одно из основных решений для развития транспортной инфраструктуры на побережье Средиземного моря и упрощает доступ к университетским и производственным районам. Длина линии легкорельсового транспорта составит ~39 км (4,5 км под землёй) и 62 станции, четыре из которых расположены под землёй. Две из них описаны ниже.

Станция Arlozorov West

Станция Arlozorov West имеет размеры внешнего корпуса около 23x197 м при глубине около –27 м. Котлован будет вырыт по технологии cut and cover (букв. «разрезать и накрыть», это открытый способ проходки с устройством временных перекрытий), а постоянные конструкции станции будут строиться по технологии bottom-up («снизу вверх»). Стены в грунте достигают отметок –40 м над уровнем моря, а их толщина составляет 1,2/1,5 метра. В качестве несущей системы запроектированы четыре уровня стальных распорок: круглые полые профили диаметром 914/1219 мм и толщиной 16/25 мм с шагом 3/5 метра. Стандартное поперечное сечение дополнено временной бетонной плитой на уровне дна котлована (толщиной 200 см) и стальной ферменной конструкцией на уровне земли, выполняющей роль настила для обеспечения работоспособности городской дорожной сети во время строительных работ (рис. 1).

Рис. 1. Вид в плане и  поперечное сечение станции Arlozorov West

Окрестности станции характеризуются наличием подпорных стен, невысокой застройкой (четыре этажа), высотками (существующие и строящиеся) и входами на станцию — см. рисунок 2.

Рис. 2. Рассматриваемые участки и окрестности станции Arlozorov West

Далее представлен анализ участка L-L (см. рис. 2), расположенного между четырёхэтажными зданиями в западной части и будущей башней Хагаг (Hagag Tower) в восточной части. В настоящее время выполнены только земляные работы на подземных этажах башни и её фундаменте. Расстояние между будущей башней и станцией составляет 7,5 м, а фундамент здания достигает 7,4 м над уровнем моря (около 17,5 м от поверхности).

Геологические и гидрогеологические условия соответствуют результатам исследований, проведённых в данном районе: геология в основном характеризуется плотным и известняковым песком, а в расчётах была использована модель упрочняющегося грунта Hardening soil, обеспечивающая надёжные результаты в отношении деформаций. Уровень грунтовых вод в период строительства находится на отметке +1,5 м над уровнем моря, примерно на 9 м ниже уровня земли.

В модели были использованы различные конструктивные элементы, представляющие бетонные стены в грунте и конструкции перекрытия (плитные элементы) и стальные элементы (т. е. стойки и стальной настил, смоделированные с помощью межузловых анкеров node-to-node anchors). Описанная выше 2D модель PLAXIS представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Модель станции Arlozorov West в PLAXIS 2D

Последовательность строительства, рассмотренная в модели:

1. Приложение существующей нагрузки на западной стороне станции.

2. Выемка грунта для первой части фундамента башни Хагаг (метод bottom-up).

3. Выемка грунта для второй части фундамента башни Хагаг (метод top-down).

4. Установка стен в грунте.

5. Первый этап выемки котлована станции и последующая установка стального настила.

6. Активация системы водопонижения.

7. Этапы выемки грунта станции и установка четырёх уровней стальных стоек.

8. Установка временной бетонной нижней плиты и деактивация системы водопонижения.

9. Деактивация четвёртого уровня стоек, чтобы освободить место для прохода ТБМ через станцию.

10. Моделирование строительства внутреннего короба и деактивация стальных стоек и настила.

Особое внимание было уделено моделированию системы водопонижения. Фактически, она задаётся путём применения двух вертикальных дренажных элементов в модели. Активированные на первых этапах расчёта дренажи были смоделированы путём установки различных значений напора воды на дренажные элементы в модели последовательно с фазами выемки грунта. После установки временной бетонной нижней плиты эти элементы деактивируются, а уровень грунтовых вод восстанавливается до исходного уровня. На рисунке 4 показано расположение дренажных элементов и высота уровня грунтовых вод для последней стадии выемки грунта, а также соответствующие выходные данные, показывающие векторы потока грунтовых вод при расчёте стационарной фильтрации.

Рис. 4. Моделирование системы водопонижения на станции Arlozorov West

Созданная численная модель позволила команде рассчитать огибающие изгибающего момента и поперечных сил в стенах в грунте (рис. 5), на основании которых можно было выполнить проверку конструкции (рис. 6).

Рис. 5. Огибающие изгибающих моментов и поперечных сил в стенах в грунте на станции Arlozorov West

Рис. 6. Проверка конструкции стен в грунте на станции Arlozorov West

Описанная численная модель даже позволила команде провести проверку структуры круглых полых стоек после расчёта максимальных осевых усилий в элементах (рис. 7).

Рис. 7. Осевые силы (сверху) и проверки конструкции (снизу) круглых полых стоек на станции Arlozorov West

Станция Rabin

Станция Rabin имеет размер внешнего корпуса примерно 23x173 м при глубине около 22 м. Метод выемки грунта — cut and cover (см. выше), а внутренний корпус будет построен методом down-up. Стены в грунте в данном случае достигают глубины ?32 м над уровнем моря, а их толщина составляет 1,2 м на западной стороне и 1,5 м на восточной. На станции Rabin в качестве опорной системы предусмотрены три уровня стальных стоек:

1. Первый уровень имеет профили диаметром 1219 мм и толщиной 25 мм.

2. На втором — профили диаметром 1219 мм и толщиной 20 мм.

3. Третий, разделённый на две типологии, на северной стороне имеет профили диаметром 1016 мм и толщиной 20 мм, а на южной стороне — диаметром 1219 мм и толщиной 20 мм.

Стандартное поперечное сечение (рис. 8) вновь дополнено временной бетонной плитой на уровне дна котлована (толщиной 80 см) и аналогичной стальной ферменной конструкцией на уровне земли (см. предыдущий пример).

Рис. 8. Вид в плане (слева) и поперечное сечение (справа) станции Rabin

При этом окрестности станции характеризуются наличием общественных площадей, невысоких зданий (до шести этажей) с различными уровнями подвалов и больших подъездов, особенно с западной стороны (рис. 9).

Рис. 9. Анализируемые участки и окрестности станции Rabin

Представленный пример относится к участку A*-A*, который располагается в южной части станции. На восточной стороне находится шестиэтажное здание без подвальных этажей, а на западной стороне — площадь Ицхака Рабина – важное общественное место массового скопления людей.

Геологические и гидрогеологические условия соответствуют результатам исследований, ещё раз проведенных в этом районе. В данном случае геология в основном характеризуется известковым песком, глинистым песком и песчаной глиной. Таким образом, для анализа была выбрана модель Hardening soil. Кроме того, на этом участке присутствует слой глины большой мощности, глубина подошвы которого приблизительно находится на уровне окончательного котлована станции и достигает глубины, превышающей уровень нижней границы стены в грунте. Такая конфигурация позволила команде создать «герметичный» котлован, сократив объёмы водопонижения. Уровень грунтовых вод в период строительства находился на отметке +1,5 м над уровнем моря, примерно на 8 м ниже уровня дневной поверхности.

Рис. 10. Продольный разрез под станцией Rabin. Lower Clay — нижний слой глины

Элементы конструкции, которые до этого использовались для станции Arlozorov West, также применяются и в этой модели с добавлением элемента Embedded beam rows для моделирования анкерных свай (tension piles) под нижней плитой станции. Эти технологические элементы, также известные как сваи работающие на растяжение (uplift piles) или анкерные сваи (anchor piles), представляют собой тип свайного фундамента, который используется для противодействия подъёмным силам.

Анкерные сваи были разработаны для снижения давления набухания глины, действующего на временную нижнюю плиту. Они помогают уменьшить глубину котлована, ограничивая деформации стен в грунте и осадки грунта, и, следовательно, воздействие на соседние здания. Было рассмотрено шарнирное соединение между натяжными сваями и нижней плитой. Описанная 2D модель изображена на рисунке 11.

Рис. 11. Модель станции Rabin в PLAXIS 2D

Последовательность строительства может быть представлена следующим образом:

1. Приложение существующей нагрузки с восточной и с западной сторон станции.

2. Начальная консолидация для устранения перемещений, вызванных дополнительными нагрузками.

3. Установка стен в грунте и анкерных свай.

4. Первый этап выемки грунта под станцию и установка стального настила.

5. Активация системы водопонижения.

6. Этапы откопки котлована станции и установки трёх уровней стальных стоек.

7. Установка временной бетонной нижней плиты и деактивация системы водопонижения.

8. Деактивация третьего уровня раскосов и моделирование нагрузки при прохождении ТБМ.

9. Окончательное уплотнение после земляных работ.

10. Моделирование строительства внутреннего короба и деактивация стальных стоек и настила.

Как и в случае со станцией Arlozorov West, система водопонижения задаётся с помощью вертикальных дренажных элементов в PLAXIS 2D, а уровень воды снова устанавливается на разных отметках в соответствии с фазами земляных работ. После установки бетонной временной плиты перекрытия система водопонижения отключается. Однако наличие глинистого слоя на дне котлована действует как «пробка» и создаёт избыточное поровое давление. По этой причине при проектировании была учтена консолидация. Для определения стадии, на которой необходимо было применить процесс консолидации, была проведена оценка времени консолидации. В связи с длительным временем консолидации расчёт проводился после того, как в численной модели было достигнуто конечное состояние котлована. На рисунке 12 показано распределение активного порового давления после этапа консолидации.

Рис. 12. Активное поровое давление после консолидации на станции Rabin

С помощью этой модели можно было вычислить необходимые результаты, которые требовались в представленном ранее проекте (огибающие силы и изгибающие моменты, осевые усилия в стальных элементах). Но в данном случае особый интерес представляют другие аспекты: деформации стен в грунте и нижнего перекрытия (рис. 13).

Рис. 13. Горизонтальные прогибы стен в грунте (слева) и вертикальный прогиб нижней плиты (справа) на станции Rabin

Анкерные сваи также были проверены, в т.ч. по прочности материала. На рисунке 14 показаны эпюры изгибающего момента, осевой и сдвигающей силы на этих элементах. Рисунок 15 иллюстрирует структурные проверки, полученные на основе результатов численной модели.

Рис. 14. Эпюры огибающих изгибающего момента, осевой силы и поперечной силы натяжных свай на станции Rabin

Рис. 15. Проверка конструкции на натяжных сваях на станции Рабин

Наконец, с помощью той же модели был проведен расчёт общей устойчивости (Safety). Это было сделано путём вычисления коэффициента запаса устойчивости и проверки соответствующих поверхностей разрушения (рис. 16).

Рис. 16. Пример расчёта общей устойчивости и коэффициента запаса устойчивости (1.503)

Заключение

Расчёты, представленные в данной статье в качестве тематических исследований, показывают применимость программного обеспечения PLAXIS 2D для геотехнического проектирования котлованов, разработанных компанией Geodata Engineering в рамках проекта «Зелёная линия метро» в Тель-Авиве.

PLAXIS позволил команде выполнить геотехнический расчет и принять проектное решение. Например, команда могла анализировать осадки грунта, набухание глины и фильтрацию при водопонижении. В то же время на основании выполненных расчетов они смогли запроектировать железобетонные элементы (например, секции стен в грунте) и стальные элементы (например, стойки и ригели).

Перевод статьи подготовлен и любезно предоставлен редакции журнала "ГеоИнфо" компанией "НИП-Информатика".

Оригинал статьи: https://blog.virtuosity.com/green-line-metro-design-of-underground-metro-stations-with-plaxis-2d