Numerical analysis of the impact of construction of an underground metro line on the urban environment : a case study from the Vistula Valley in Warsaw

Underground construction in urban areas is a complex investment, impacting existing buildings. The paper presents a case study of the 2nd metro line, in close proximity to the Warsaw Slope. To analyze the aforementioned issue, the finite element method (FEM) was used. First, the initial state was generated. Next, the southern tunnel of the metro construction was simulated. Then, the northern tunnel of the metro construction numerical model was prepared. Based on this simulations and cumulative settlements of a particular building above the metro were calculated. The results were confirmed by land surveys. The calculations show the maximum vertical displacement of 8 mm below the building’s foundations. This value does not affect the stability of the building or the slope nearby. Nevertheless, it can impact serviceability. Such settlements can generate cracks in buildings. Furthermore, the value of the calculated safety factor of the Warsaw Slope in this section is 1.1. Hence, slope changes require continuous observations. The numerical procedures presented show the usefulness of FEM and its suitability for the purposes of building an extension of the 2nd metro line.

Budowa tunelu metra w środowisku zurbanizowanym jest złożonym procesem inwestycyjnym, który ma wpływ na istniejącą zabudowę oraz dalszy kierunek zagospodarowania przestrzennego. Artykuł przedstawia analizę wpływu budowy II linii metra na obszar terenu w rejonie Skarpy Warszawskiej. Dla rozwiązania określonego w tytule zadania wykorzystano metodę elementów skończonych (MES). Pierwszym etapem symulacji numerycznych bylo odtworzenie stanu początkowego, a następnie realizacja południowego tunelu II linii metra. W kolejnym etapie odtworzono wykonanie północnego tunelu metra. Obliczono rozkład naprężń w podłożu oraz skumulowane osiadania w strefie oddziaływania tuneli metra. W celu weryfikacji poprawności modelu numerycznego, otrzymane wyniki porównano z wynikami geodezyjnego monitoringu. Dzięki przeprowadzonym obliczeniom określono pionowe przemieszczenia budynku, którego fundamenty znajdują się 4,80 m nad tunelem metra. Przemieszczenia te są równe 8 mm w miejscu analizowanego punktu na ścianie budynku. Taka wielkość osiadań nie wpływa ujemnie na stateczność budynku, nie jest naruszony stan nośności. Niemniej jednak może nastąpić obniżenie funkcjonalności budynku, przekroczenie stanu granicznego użytkowalności. W trakcie obliczeń wyznaczono, metodą redukcji parametrów wytrzymałościowych, współczynnik stateczności skarpy (SF = 1,1). Otrzymany wynik świadczy o zagro żeniu procesami geodynamicznymi (tzn. powierzchniowymi ruchami masowymi) i potrzebie prowadzenia stałego monitoringu. Zaprezentowana analiza pokazuje skutecznoość MES w analizie wpływu budowy tunelu metra oraz prognozowaniu jego konsekwencji na środowisko zurbanizowane.