При проведении работ по строительству новой транспортной развязки в Германии между региональном перевозчиком Deutsche Bahn и железной дорогой городской метро-линии необходимо создать новый участок железной дороги общей протяженностью 1.3 километра. Специфической особенностью данного участка является то, что его путь пересекает крупный комплекс зданий и сооружений, охраняемых законом. Поэтому принято решение о строительстве тоннеля на этом участке. Однако эта задача серьезно осложняется большой скоростью движения грунтовых вод на одном из промежутков этого участка. В результате высокой скорости фильтрации при бурении тоннеля на этом промежутке существует вероятность просадки грунтов под фундаментами. Это может привести к повреждению наземных сооружений, что недопустимо.
Для решения этой нестандартной ситуации предложено создание искусственной ледяной защиты над областью бурения. Эта мера позволит укрепить грунты и выполнить безопасное для фундаментов строительство тоннеля. Тоннель состоит из двух путей, для каждого из которых будет выполняться отдельное бурение. На схеме ниже демонстрируется вертикальный разрез земли в месте бурения тоннеля.
Синим цветом показана область заморозки. Verwitterungshorizont – область фильтрации грунтовых вод в слое песка. Keupergestein – слой красной-песчанистой глины. GW – уровень фундамента здания.
Для обоснования принятых проектных решений необходимо выполнить компьютерное моделирование искусственной заморозки грунта в области строительства тоннеля. Поставленную задачу необходимо решать в специализированном программном обеспечении — Frost 3D.
При построении компьютерной модели задаются следующие геометрические размеры расчетной области: длина — 62 метра, ширина — 20.2 метра, высота 18.4 метра.
Размеры расчетной области выбраны исходя из геометрических размеров тоннеля и замораживающих устройств, геолого-литологического строения грунтов и с учетом влияния границ расчетной области на тепловые процессы, происходящие в ней.
На рассматриваемом участке слои грунтов имеют сложную структуру. Было выполнено геологическое изыскание, согласно которому была получена следующая таблица с высотами по скважинам.
| Наименование скважины | Отметка устья, [m] | Слой песка, мощность [m] | Слой красно-песчаной глины, мощность [m] |
|---|---|---|---|
| Скважина 1 | 18.4 | 7.3 | 11.2 |
| Скважина 2 | 18.4 | 5.7 | 12.8 |
| Скважина 3 | 18.4 | 4.3 | 14.1 |
| Скважина 4 | 16.7 | 9.3 | 7.4 |
| Скважина 5 | 16.7 | 9.3 | 7.4 |
| Скважина 6 | 16.7 | 9.3 | 7.4 |
| Скважина 7 | 17.8 | 10 | 7.8 |
| Скважина 8 | 17.8 | 10 | 7.8 |
| Скважина 9 | 17.8 | 10 | 7.8 |
Схема расположения скважин представлена на следующем рисунке.
Трехмерная реконструкция грунтов расчетной области с использованием инструментов геостатистики изображена на рисунке ниже. Также здесь показана область прокладки путей тоннеля и замораживающих труб.
Для заморозки грунтов и создания ледяной защиты используются 23 замораживающие трубы общей протяженностью более чем 1200 метров. Диаметр каждой трубы составляет 3.5 дюйма. Мощность морозильной установки составляет 465 кВт, что позволяет достичь температуры на поверхностях замораживающих труб -40 oC. В качестве хладагента используется 30% раствор кальция.
Схема расстановки замораживающих труб представлена ниже.
Бурение путей будет выполняться под незначительным углом. Сводная таблица глубин залегания замораживающих труб в начале и конце области заморозки представлена ниже.
| Номер замораживающей трубы | Абсолютная отметка в начале зоны замораживания, метры | Абсолютная отметка в конце зоны замораживания, метры |
|---|---|---|
| Охлаждающее устройство № 1 | 7.09 | 8.80 |
| Охлаждающее устройство № 2 | 8.06 | 9.77 |
| Охлаждающее устройство № 3 | 8.95 | 10.66 |
| Охлаждающее устройство № 4 | 9.73 | 11.44 |
| Охлаждающее устройство № 5 | 10.29 | 12.00 |
| Охлаждающее устройство № 6 | 10.67 | 12.38 |
| Охлаждающее устройство № 7 | 10.8 | 12.51 |
| Охлаждающее устройство № 8 | 10.64 | 12.35 |
| Охлаждающее устройство № 9 | 10.18 | 11.90 |
| Охлаждающее устройство № 10 | 9.45 | 11.16 |
| Охлаждающее устройство № 11 | 8.71 | 10.42 |
| Охлаждающее устройство № 12 | 7.70 | 9.41 |
| Охлаждающее устройство № 13 | 6.72 | 8.43 |
| Охлаждающее устройство № 14 | 9.47 | 11.18 |
| Охлаждающее устройство № 15 | 10.18 | 11.90 |
| Охлаждающее устройство № 16 | 10.62 | 12.33 |
| Охлаждающее устройство № 17 | 10.78 | 12.50 |
| Охлаждающее устройство № 18 | 10.66 | 12.37 |
| Охлаждающее устройство № 19 | 10.26 | 11.97 |
| Охлаждающее устройство № 20 | 9.68 | 11.39 |
| Охлаждающее устройство № 21 | 8.90 | 10.60 |
| Охлаждающее устройство № 22 | 8.00 | 9.70 |
| Охлаждающее устройство № 23 | 7.02 | 8.73 |
Скорость фильтрации воды в слое песка составляет 1.25 метра в день, температура грунтовых вод +12.9oC.
Характеристики грунтов приведены в таблице ниже.
| Слой грунта | Ρdry, [кг/м3] | kf, [м/с] | λ2, [Вт/м*К] | λ1, [Вт/м*К] | C2, [МДж/м3*К] | C1, [МДж/м3*К] | α, [%] | β, [-] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Песок | 1700 | 10-4 | 2.20 | 3.40 | 2.78 | 2.03 | 1.5 | -0.7 |
| Красная песчанистая глина | 2000 | 10-14 | 2.00 | 2.16 | 2.40 | 1.95 | — | — |
Ρdry – плотность грунта; kf – коэффициент фильтрации; λ2,1 – теплопроводность в талом и мерзлом грунте; C2,1— теплоемкость талого и мерзлого грунта; α, β – коэффициенты, описывающие содержание незамерзшей влаги.
На поверхности расчетной области задается граничное условие первого рода в виде зависимости изменения температуры от времени, представленной на рисунке ниже.
На боковой границе расчетной области задается граничное условие второго рода в виде теплового потока равного нулю. На нижней границе задается граничное условие первого рода в виде постоянной температуры +12.9 oC.
В результате дискретизации получается расчетная сетка, состоящая из 2 037 312 узлов.
Расчетная сетка, состоящая из 2 миллионов ячеек, полученная после дискретизации
Результаты моделирования показали, что уже через месяц замораживания над первым путем железнодорожного тоннеля была сформирована необходимая ледяная защита. Второй путь на этот же период вследствие сильной фильтрации был ещё не полностью заморожен.
Распределение температур в сечении при замораживании тоннеля на 30-й день работы замораживающих устройств
Результаты моделирования работы замораживающих устройств показали, что на 120-й день ледяная защита над обоими путями была полностью сформирована. Более того, первый путь к этому времени был практически полностью заморожен. Это отчётливо видно на представленных результатах расчета.
Результаты моделирования искусственного замораживания грунта в тоннеле на 120-й день работы замораживающих устройств
Изолинии сечения плоскости YZ на 120-й день расчета