Санкт-Петербург
+7 (812) 316-20-22
+7 (812) 571-20-22

Геотехнические исследования при сооружении эскалаторных тоннелей

Технологии
5 февраля 2021

Аннотация:

При строительстве эскалаторных тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена используется «классическая» технология с искусственным замораживанием грунтового массива. Максимальные осадки дневной поверхности при таком способе строительства наблюдались в процессе оттаивания грунтового массива и достигали 550 мм, а в отдельных случаях и 900–1000 мм.

За последние 15 лет при строительстве эскалаторных тоннелей были применены две новые технологии, которые характеризуются малыми осадками дневной поверхности: с возведением ограждающих конструкций и с применением тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК). Деформации дневной поверхности не превышают 100 мм при первом (опытном) применении таких технологий и 20–25 мм при последующем применении. При сооружении эскалаторных тоннелей в рамках геотехнического мониторинга проводятся геотехнические исследования системы «обделка – грунтовый массив». Геотехнический мониторинг позволяет осуществить безопасное ведение работ по строительству эскалаторных тоннелей, корректировать технологические параметры строительства, конструкции крепей и обделок. Создаваемая база данных исследований позволяет анализировать результаты исследований для реализуемых технологий и конструктивных решений и вносить корректировку в последующие аналогичные проекты.

Введение

Технологии строительства эскалаторных тоннелей, существующие в прошлом веке и применяемые при строительстве Санкт-Петербургского (Ленинградского) метрополитена, приводили к значительным деформациям толщи грунтового массива над тоннелем и расположенным на дневной поверхности зданиям и сооружениям. Основным способом строительства являлось применение рассольного замораживания для стабилизации толщи совершенно неустойчивых водонасыщенных четвертичных отложений. Наклонные тоннели проходили с разработкой грунта отбойными молотками на полное сечение и устройством круговой обделки из чугунных тюбингов. Следствием такой технологии являлись значительные деформации и нарушения конструкций сооружений на поверхности, частичный или полный их вывод из эксплуатации. Впоследствии такие сооружения подвергались капитальному ремонту или полному демонтажу.

Одна из станций Петербургского метрополитена — «Адмиралтейская», построенная в историческом центре СанктПетербурга, по причине отсутствия опыта применения альтернативных технологий строительства эскалаторных тоннелей с меньшими деформациями дневной поверхности в течение 15 лет не имела собственного выхода на поверхность, поезда на станции не останавливались.

Технологические схемы строительства эскалаторных тоннелей

Научные исследования, натурные измерения и опыт строительства показывают, что при использовании традиционной («классической») технологии наибольшее влияние на величину осадок грунтового массива и дневной поверхности оказывает рассольное замораживание по контуру выработки. В процессе замораживания происходит деструктуризация грунта, что обычно сказывается на увеличении деформаций грунтового массива при его оттаивании уже после завершения проходки. При строительстве эскалаторных тоннелей по «классической» технологии максимальные величины деформаций дневной поверхности составляют 550 мм, а в отдельных случаях достигают и 1000 мм.

В рамках поиска вариантов снижения осадок дневной поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей в СанктПетербурге были реализованы новые технологии строительства: комбинированная технология стабилизации четвертичных отложений, технология с возведением ограждающих конструкций и механизированная технология с применением ТПМК с активным пригрузом забоя.При комбинированной технологии стабилизации четвертичных отложений на первоначальном этапе выполнялось закрепление вмещающего эскалаторный тоннель грунтового массива Jet-сваями.

Грунтоцементное ограждение необходимой толщины создавалось с помощью рядов вертикальных скважин, расположенных вдоль оси тоннеля. Дополнительно, при первом применении комбинированной технологии (эскалаторный тоннель станции метро «Звенигородская»), было выполнено контурное замораживание наклонными скважинами для перекрытия возможных окон в цементном камне.

 Непосредственно проходка тоннеля осуществлялась вручную отбойными молотками и экскаватором, при проходке возводилась временная обделка из стальных двутавровых арок, межрамное пространство заполнялось тяжелым бетоном. По внутреннему контуру временной обделки выполнялась обмазочная гидроизоляция и на следующем этапе возводилась постоянная обделка из монолитного бетона в направлении снизу вверх. При сравнении строительства эскалаторного тоннеля по новой технологии с «классической» технологией была подтверждена эффективность принятых решений — осадки дневной поверхности уменьшились в 5 раз и составили 100—110 мм.

При строительстве второго выхода со станции метро «Спортивная» устойчивость окружающего массива обеспечивалась при помощи «стены в грунте», заглубленной в плотные глины и возведенной по периметру эскалаторного тоннеля. Дополнительная цементация грунтового массива при этом выполнялась как внутри контура «стены в грунте», так и снаружи — по оси наклонного хода. Проходка эскалаторного тоннеля проводилась аналогично эскалаторному тоннелю станции метро «Звенигородская», за исключением применения набрызг-бетона для закрепления межрамного пространства при возведении временной обделки. Деформации дневной поверхности на момент окончания строительства составили 15— 20 мм.

По похожей технологии были построены два эскалаторных тоннеля в Лондоне на станции «Liverpool Street», глубина заложения которой составляет 42 м [3]. Оба эскалаторных тоннеля располагаются в лондонских глинах и соединяют подземные вестибюли с уровнем платформы станции. При сооружении сначала пройден пилот-тоннель в калоттной части выработки. Далее пилот-тоннель был в два этапа разработан на полное сечение (эллипсообразной формы) с устройством временной крепи. Последним этапом сооружения стало возведение постоянной обделки с диаметром в свету 7,6 м по горизонтальной оси.

Горнопроходческие работы осуществлялись с использованием комбайна. Параметры крепей и обделок были выбраны по результатам геотехнических расчетов. Толщина временной крепи постоянная, и составляет 0,3 м. Крепь выполнена из набрызг-бетона с металлической фиброй. На участках сложной геометрии и сопряжений устраивались арматурные каркасы с укладкой набрызг-бетона без использования фибры. Толщина постоянной обделки достигает 1 м в шелыге свода, а к бокам выработки она снижается до 0,25 м. Обделка тоннеля выполнена из набрызг-бетона с металлической фиброй, с включением полипропиленовой фибры для противопожарной защиты.

Аналогично наклонным ходам на станции «Liverpool Street», по такой же технологии был построен эскалаторный тоннель на станции «Whitechapel». Наклонный тоннель связывает новый кассовый зал станции с уровнем платформы, его устье находится на 19 м ниже дневной поверхности.

 На станции «Victoria» Лондонского метрополитена  новый наклонный ход был построен в рамках реконструкции станции. Эскалаторный тоннель длиной 30 м был пройден в сложных условиях, в условиях плотной городской застрой- 149 ки, рядом с существующими подземными выработками, с их пересечением и частичной забутовкой. Работы велись без перерыва движения поездов по линии метрополитена. Для минимизации деформаций подземных сооружений и осадки рядом расположенных зданий (в том числе — театра) была применена предварительная Jet-цементация грунтового массива. Также в существующих тоннелях возводились подпорные конструкции и был регламентирован порядок разработки грунтового массива. По длине эскалаторного тоннеля первоначально была пройдена штольня со сплошным деревянным креплением. В местах пересечения с другими выработками были предварительно построены наклонные железобетонные пандусы.

Разработка тоннеля на полный профиль велась в шахматном порядке по частям, с последовательностью разработки грунта, принятой по результатам численного моделирования. Обделка устраивалась из набрызг-бетона с армированием фиброй. Профиль и сечения наклонного хода — переменные, по условиям проходки рядом с действующими тоннелями. После завершения строительных работ на станции были смонтированы три новых эскалатора.

Другим направлением снижения осадок при строительстве эскалаторных тоннелей является применение тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) с системой грунтопригруза забоя и воздействием на грунт в заобделочном пространстве путем нагнетания двухкомпонентного тампонажного раствора в процессе проходки.

В Санкт-Петербурге с использованием ТПМК немецкой фирмы «Херренкнехт АГ» были пройдены три эскалаторных тоннеля. При проходке использовалась высокоточная сборная железобетонная обделка с продольными и поперечными связями, наружный диаметр обделки — 10,4 м, толщиной блока 500 мм, между блоков предусмотрено резиновое уплотнение стыков. При первом применении данной технологии (станция «Обводный канал») величина осадок дневной поверхности составила 95 мм. На следующих эскалаторных тоннелях (станции «Адмиралтейская» и «Спасская») при совершенствовании и отладке технологии деформации грунтового массива не превысили 25 мм. Применение ТПМК при сооружении эскалаторных тоннелей было опробовано и в Москве, где с помощью проходческого комплекса «Ловат» в 2008—2012 гг. были сооружены два наклонных хода на станции «Марьина роща». При проходке возникали различные технологические сложности, которые были успешно преодолены, но это сказалась на сроках сооружения тоннелей.

Комплексный геотехнический мониторинг эскалаторных тоннелей.

При сооружения эскалаторных тоннелей как по «классической», так и по малоосадочным технологиям, в рамках геотехнического мониторинга проводятся исследования работы системы «обделка — грунтовый массив». Геотехнический мониторинг включает в себя комплекс мероприятий, направленных на безопасное строительство и эксплуатацию конструкций наклонных ходов и окружающего массива, зданий и сооружений. При этом фиксируются негативные (техногенные и природные) воздействия на тоннель, определяются качественные и количественные показатели их влияния на обделку.

Особая важность мониторинга проявляется при сооружении объектов метрополитена в непосредственной близости от застройки, в исторической части городов и при пересечении трассами тоннелей автодорожных или железнодорожных магистралей.

Комплексный геотехнический мониторинг при строительстве эскалаторных тоннелей включает:

  • контроль качества работ по закреплению грунтов и устройству ограждающих конструкций;
  • инженерно-геологический и гидрогеологический прогноз впереди забоя наклонного хода методом сверхширокополосной георадиолокации;
  • определение фактических деформационно-прочностных свойств вмещающего массива (метод сейсмоакустики);
  • определение напряженно-деформированного состояния крепей и обделок;
  •  определение конвергенции внутреннего контура выработки;
  • определение глубинных смещений массива экстензометрами;
  • контроль деформаций (осадок) дневной поверхности;
  • гидрогеологический мониторинг;
  • визуальный и инструментальный мониторинг зданий и сооружений, попадающих в зону влияния строительства наклонного хода;
  • определение величин допускаемых осадок и кренов (абсолютных и относительных), расчет деформаций зданий при ожидаемых осадках в процессе проходки, установление критериев компенсационных мероприятий;
  • контроль качества выполненных работ по первичному и контрольному нагнетанию за обделку.

Мониторинг зданий и сооружений ведется визуально, с помощью нескольких серий обследования (до начала, в процессе и после окончания строительства). В рамках инструментального мониторинга на здания устанавливаются контрольно-измерительная аппаратура, фиксирующая величины раскрытия трещин во времени и крены в различных направлениях. Проведение измерений возможно организовать в автоматическом режиме. Расчет деформаций зданий при ожидаемых осадках от процесса проходки проводится после определения мульды оседания от строительства наклонного хода и сопутствующих выработок. Поставленная задача обычно решается в трехмерной постановке методом конечных элементов (МКЭ).

 Деформации дневной поверхности, попадающей в зону влияния горных работ, определяются высокоточными тахеометрами или кодовыми нивелирами путем серий работ по измерению вертикальных и горизонтальных смещений марок и деформационных реперов. Контроль качества работ по закреплению грунтов и устройству ограждающих конструкций выполняется сейсмоакустическими исследованиями с поверхности или из специально устроенных скважин.

Фактические деформативно-прочностные свойства грунтов, вмещающих тоннель, вычисляются по результатам сейсмопрофилирования. Напряженно-деформированное состояние обделки тоннеля и окружающего грунтового массива оценивается по нормальным тангенциальным напряжениям в блоках, тюбингах или монолитных участках обделки, по продольным напряжениям, а также по смещениям блоков (тюбингов) относительно друг друга. Определение напряжений по периметру обделки выполняется при помощи струнных деформометров, которые устанавливаются на опытных участках по длине эскалаторного тоннеля. Строятся зависимости величин напряжений от глубины заложения опытных участков по длине наклонного хода.

Конвергенция внутреннего контура выработки определяется лазерным дальномером или электронным тахеометром по установленным маркам и отражателям. Измерения проводятся в сечениях наклонного хода в горизонтальном, вертикальном и наклонных направлениях.

Другим вариантом контроля напряженно-деформированного состояния обделки и определения конвергенции контура обделки является применение волоконно-оптических систем мониторинга с измерительными кабелями или распределенными датчиками, которые закладываются в тело бетона в контрольных сечениях конструкции или закрепляются на внутреннем контуре.Контроль качества нагнетания тампонажного раствора в заобделочное пространство проводится при помощи цифрового томографа. Работы проводятся после схода каждого из контролируемых колец с оболочки щита, по результатам исследований составляется развертка колец обделки с нанесенными пустотами и зонами некачественного нагнетания. Возможно проведение данных работ и другими методами георадиолокации.

Для определения гидростатического давления на разных горизонтах, а также изменений гидродинамических режимов водоносных пластов в процессе строительства, выполняется бурение наблюдательных скважин с установкой в них датчиков гидростатического давления. Бурение и оснащение скважин выполняется до начала строительства эскалаторного тоннеля, что позволяет определить основные гидродинамические закономерности на протяжении всех этапов производства строительных работ.

Сдвижения в грунтовом массиве определяли стержневыми экстензометрами. Экстензометры устанавливаются в скважины вдоль трассы наклонного хода на различных глубинах, чтобы контролировать деформации различных слоев грунтового массива. Сдвижения грунтового массива фиксируются как непосредственно от горнопроходческих работ по строительству тоннеля, так и от проведения мероприятий по усилению оснований зданий, которые выполняются при превышении установленных критериев осадок и кренов оснований зданий. Проведение измерений глубинных смещений на период строительства возможно выполнять автоматизированным способом с передачей полученных данных на удаленный сервер.

Еще одной из важнейших задач геотехнического мониторинга при строительстве эскалаторных тоннелей является прогнозирование характера развития геомеханических процессов, возникающих при их сооружении. Для решения этой задачи применяются методы математического моделирования с использованием специализированных программных средств. Современные программные комплексы позволяют учесть при моделировании огромный комплекс параметров и факторов, участвующих в описании как технологии процесса, так и условий сооружения тоннеля. Выполняемое двухмерное или трехмерное моделирование позволяет получить данные о возможных деформационных процессах и зонах их распространения на всех этапах строительства. 

 Читать статью полностью

Авторы статьи: М.О. Лебедев, Зам. генерального дирктора по научно-исследовательской работе ОАО "Ленметрогипротранс", Г.Д. Егоров, старший научный сотрудник лаборатории геомеханических исследований ОАО "Ленметрогипротранс" 

Статья опубликована в научно-техническом журнале "Горный информационно-аналитический бюллетень"