Numerical analysis of reducing tunneling effect on viaduct piles foundation by jet grouted wall

Abstract

Purpose. The target of this study is divided into two parts. The first part is concerned with capability of numerical model to simulate the tunneling process. The second part is related to studying the interaction mechanism between the tunnel, protection technique, and soil. This study themes are investigated by analyzing different protection technique configuration, considering different stiffness of the grouted wall, and applying different interface coefficient between the wall and the soil. Methods. The method used in this study to check the accuracy of the proposed numerical model is 4-D ABAQUS program. The typical excavation of a tunnel is simulated step by step with an assumed rate of tunnel advancement (0.5 to 1.5 m/hr). The soil material utilized in this model is elastic perfectly plastic (the Mohr-Сoulomb criterion), while elastic material is modeled as solid element (S4R) adopted for lining, grouting, filling gaps, shielding, constructing piles, and jet grouted wall. Findings. Results showed that the closer jet grouting to the tunnel with embedded length of 1.5 times tunnel diameter, the better effect on reducing the lateral deformation and bending moment generated on piles. Otherwise, increasing wall thickness more than double grouted column diameter would not affect its shielding efficiency. Furthermore, either increasing or decreasing friction coefficient even if rough between the grouted wall and soil had no effect on the pile behavior. Additionally, applying Mohr-Coulomb criteria for grouted wall with high stiffness allowed realistic response of the pile group. Originality. Capability of the proposed model is verified by back analysis of Changsha Subway Line 1 project, where the shield tunnel would be constructed near existing pile groups of L off-ramp of the Xinzhong Road viaduct. Practical implications. Increasing grouted wall configuration is more effective than mechanical properties or its interface coefficient with surrounded soil in mitigating tunneling effect on nearby piles.

Мета. Виконати чисельне моделювання опису процесу проходки тунелю, а також вивчення механізмів взаємодії між тунелем, способом кріплення та підошвою за допомогою аналізу різних конфігурацій кріплення з урахуванням різної міцності залитої цементним розчином стіни й застосування різних коефіцієнтів межі розділу між стіною і підошвою. Методика. Для перевірки точності запропонованої чисельної моделі використовувалася програма 4-D ABAQUS. Проходка тунелю моделюється покроково при передбачуваній швидкість проходки від 0.5 до 1.5 м/год. Дана модель розглядає матеріал підошви як еластичний ідеально пластичний (за критерієм Мора-Кулона). Еластичний матеріал представлений в моделі як тверда речовина (S4R), що використовується для оброблення, цементування, заповнення пустот, щитової проходки, спорудження свай та залитих струменевим розчином стінок. Результати. Результати дослідження свідчать про те, що чим ближче розташована установка струменевої цементації до тунелю, довжина якого в півтора рази більше його діаметра, тим більший вплив вона чинить на зменшення бічних деформацій і згинальні моменти свай. Встановлено, що збільшення товщини стінок до величини, що вдвічі перевищує діаметр залитих струменевим розчином свай, не впливає на їх захисну здатність. Крім того, ні збільшення, ні зменшення коефіцієнта тертя між залитою цементним розчином стіною і підошвою не чинить істотного впливу на поведінку свай. Застосування критерію Мора-Кулона для високоміцної зацементованої струменевим розчином стіни дозволяє реалістично оцінити реакцію групи свай. Наукова новизна. Надійність даної моделі підтверджена зворотним аналізом в рамках проекту 1-й лінії метро Чанши, згідно з яким тунель буде побудований методом щитової проходки навколо існуючих груп опор на L з’їзді з віадука траси Ксінжонг. Практична значимість. Зміцнена структура зацементованої стінки дозволяє зменшити вплив проходки тунелю на сваї та підвищити надійність і стійкість споруди.

Цель. Выполнить численное моделирование описания процесса проходки тоннеля, а также изучение механизмов взаимодействия между тоннелем, способом крепления и грунтом посредством анализа разных конфигураций крепления с учетом различной прочности залитой цементным раствором стены и применения различных коэффициентов границы раздела между стеной и почвой. Методика. Для проверки точности предложенной численной модели использовалась программа 4-D ABAQUS. Проходка тоннеля моделируется пошагово при предполагаемой скорости проходки от 0.5 до 1.5 м/час. Данная модель рассматривает материал грунта как эластичный идеально пластичный (по критерию Мора-Кулона). Эластичный материал представлен в модели как твердое вещество (S4R), используемое для обделки, цементирования, заполнения пустот, щитовой проходки, сооружения свай и залитых струйным раствором стенок. Результаты. Результаты исследования свидетельствуют о том, что чем ближе расположена установка струйной цементации к тоннелю, длина которого в полтора раза больше его диаметра, тем большее влияние она оказывает на уменьшение боковых деформаций и сгибающего момента свай. Установлено, что увеличение толщины стенок до величины, вдвое превышающей диаметр залитых струйным раствором свай, не влияет на их защитную способность. Кроме того, ни увеличение, ни уменьшение коэффициента трения между залитой цементным раствором стеной и грунтом не оказывает существенного влияния на поведение свай. Применение критерия Мора-Кулона для высокопрочной зацементированной струйным раствором стены позволяет реалистично оценить ответную реакцию группы свай. Научная новизна. Надежность данной модели подтверждена обратным анализом в рамках проекта 1-й линии метро Чанши, согласно которому тоннель будет построен методом щитовой проходки вокруг существующих групп опор на L съезде с виадука трассы Ксинжонг. Практическая значимость. Упрочненная структура зацементированной стенки позволяет уменьшить воздействия проходки тоннеля на сваи и повысить надежность и устойчивость сооружения.