Геотехническое обеспечение при строительстве двухпутного перегонного тоннеля с помощью ТПМК

Представлено геотехническое сопровождение строительства двухпутного перегонного тоннеля с помощью ТПМК в четвертичных совершенно неустойчивых грунтах в Санкт-Петербурге при плотной городской за­стройке. Даны результаты проведенной работы, обеспечившей безосадочную и безаварийную проходку тон­неля. Рассмотрены результаты натурных измерений в составе геотехнического мониторинга.

Перегонные тоннели от ст. «Южная» до ст. «Дунайский проспект» и большая часть тоннеля от ст. «Дунайский прос­пект» до ст. «Проспект Славы» расположе­ны в совершенно неустойчивых грунтах. По трассе двухпутного тоннеля пересека­ется КАД, железнодорожные пути, автомо­бильные дороги. В зону влияния попадают существующие жилые здания на дневной поверхности. Глубина заглубления тонне­ля от 10,0 до 13,6 м.

Вмещающие породы представлены мо­ренными суглинками с включением гравия и гальки, с отдельными валунами кристал­лических пород, тугопластичной и полу­твердой консистенции, моренными супеся­ми плотными с гравием и галькой, с от­дельными валунами твердой консистен­ции, в меньшей степени пластичной кон­систенции. В толще моренных грунтов встречались линзы водонасыщенных пес­ков. Часть трассы перед ст. «Проспект Сла­вы» проходит в плотных котлинских гли­нах твердой консистенции с прослоями водоносных кварцевых песчаников мощ­ностью от 1 до 30 см.

Тоннель с внутренним диаметром 9,4 м и наружным 10,4 м проходили с помощью ТПМК фирмы Herrenknecht с грунтовым пригрузом забоя.

Поперечное сечение тоннеля представле­но на рис. 1.

В процессе проходки осуществлялось геотехническое обеспечение, направлен­ное на снижение негативного влияния тех­ногенных процессов при строительстве тоннеля на окружающую среду и безопас­ность горнопроходческих работ. Для достижения этой цели был организован гео­технический мониторинг, который решал следующие задачи:

• инженерно-геологический и гидрогеоло­гический прогноз впереди забоя;
• определение сдвижений грунтового массива;
• определение изменений в состоянии зда­ний, попадающих в зону строительства тон­нелей и их деформаций;
• контроль качества заполнения заобде- лочного пространства;
• определение напряженно-деформиро­ванного состояния обделки тоннеля.

Инженерно-геологический и гидрогеоло­гический прогноз впереди забоя осуществ­ляли с помощью сверхширокополосной (СШП) георадиолокации.

Метод ЭМИ СШП зондирования позволяет обследовать различные инженерно-геологические структуры, при этом устанавливают­ся не только их линейные размеры, но про­изводится и идентификация разреза [1]. Точ­ность определения границ инженерно-гео­логических структур составляет 3% от ис­тинной глубины их залегания.

Геофизические измерения на забое тонне­ля проводили на металлической поверхнос­ти щита через камеру грунтопригруза. Лучи зондирования измеренных точек ориенти­ровали вдоль оси горной выработки, в каж­дом случае длина обследуемого интервала составляла 50 м (рис. 2).

Прогноз осуществлялся на трассе длиной 1872 м. Были выявлены многочисленные ин­тервалы разуплотненных водонасыщенных грунтов, а также участки со скоплением гра- вийно-галечникового материала и валунов.

Для определения сдвижений грунтового массива по оси тоннеля от ст. «Южная» до ст. «Проспект Славы» было пробурено во­семь измерительных скважин, оснащенных цельностержневыми экстензометрами. Экстензометры устанавливали на глубинах от 4,5 до 47 м. Система позволяет осущест­влять круглосуточный автоматизирован­ный мониторинг [2].

Параметры скважин и установленных цельностержневых экстензометров пред­ставлены в табл.

Сдвижения массива, как показали изме­рения по экстензометрам, начинаются с момента нагнетания твердеющего раство­ра в заобделочное пространство. Причем по длине скважины смещения примерно одинаковы, что говорит о не нарушении сплошности грунтового массива. Поднятие дневной поверхности проявляется мгно­венно над кольцом, за которое ведется на­гнетание. Нарушение сплошности массива в данном случае говорит о не образовании свода обрушения.

Изменение состояния попадающих в зону строительства тоннелей и их деформаций определяли с помощью первичного и по­вторного визуального мониторингов, а так­же инструментально с установкой беспроводных датчиков углов наклонов, деформаций и вибраций.

Целью визуальных обследований являлась фиксация на зданиях до начала и после про­ходки тоннеля. На основании выполненного обследования следует сделать вывод, что проходка двухпутного тоннеля вблизи об­следуемых зданий не оказала негативного влияния на состояние их конструкций и зда­ния в целом.

При первичном обследовании были за­фиксированы трещины в конструкциях зда­ний. Повторным обследованием установле­но, что изменений в ранее зафиксирован­ных трещинах и возникновения новых не обнаружено. Характер и местоположение трещин свидетельствуют об отсутствии неравномерных осадок зданий.

По результатам инструментального мони­торинга состояния конструкций зданий можно заключить: за все время наблюдений деформации зданий (раскрытие трещин, крены) от ведения проходки не зафиксиро­ваны. Деформации, полученные по датчи­кам, зависят только от изменения темпера­туры. Контроль вибраций показал, что изме­ренные величины не превышали фоновых.

Контроль качества работ по заполне­нию заобделочного пространства осу­ществляли ультразвуковым низкочастот­ным томографом.

По результатам этих работ было получено:

• качество нагнетания за обделку раствора имеет явную зависимость от технологичес­ких причин и от свойств пересекаемых тон­нелем грунтов;
• технологически важными, обеспечиваю­щими качество нагнетания, являются работа всех сопел безотказно и тщательная дози­ровка нагнетаемого раствора;
• наилучшее качество нагнетания за­фиксировано на значительном протяже­нии проходки в однородных и необвод­ненных грунтах;
• наибольшие по количеству и объему пустоты приурочены к зонам проходки в слабых неоднородных и обводненных грунтах и зонам, когда кольца обделки расположены в различных инженерно­геологических условиях;
• на всем протяжении тоннеля не выявле­но нарушений сплошности вмещающего грунтового массива.

Напряженно-деформированное состоя­ние обделки тоннеля определяли с помощью струнных датчиков, устанавливаемых в бло­ки при их изготовлении на заводе. Затем блоки, оснащенные датчиками, устанавлива­ли при монтаже в кольца обделки (рис. 3).

Измерив деформации с помощью струн­ных датчиков по специальной методике, вы­числяют нормальные тангенциальные на­пряжения в блоках показано формирование напряженно-де­формированного состояния одного блока.

В результате проведенных измерений напряженно-деформированного состоя­ния (НДС) обделки следует сделать следую­щие ВЫВОДЫ:

• максимальные измерения НДС обделки происходят в первые дни после монтажа колец и связаны с монтажными усилиями и выполнением нагнетания в заобделочное пространство;
• дальнейшее развитие НДС обделки прак­тически прекращается в первые недели пос­ле монтажа;
• измеренные напряжения в несколько раз меньше предела прочности материала обделки;
• дополнительные изменения в НДС обдел­ки вносит укладка бетона в лотковую часть.

Полученные результаты измерения НДС обделки показывают, что для ее расчета при данных инженерно-геологических условиях и технологии сооружения можно пользо­ваться методами механики сплошной среды.

Таким образом, примененная впервые в инженерно-геологических условиях Санкт- Петербурга технология сооружения двух­путного тоннеля с помощью ТПМК и кон­струкция обделки обеспечили безосадочную и безаварийную проходку при геотех­ническом сопровождении проводимого мониторинга.

Следует отметить, что сооружение тон­неля осуществляется без нарушения сплошности грунтового массива и, наряду с результатами измерения НДС обделки, позволяет при таких условиях применять для расчета конструкций методы механи­ки сплошной среды.

Список литературы

1. БолтинцевВ.Б., Илъяхин В. Н. Мониторинг подземного пространства методам элек­тромагнитного импульсного сверхшироко­полосного зондирования //Метро и тонне­ли. - 2011. -№ 6. -С. 40-41.
2. Безродный К. Я,Лебедев М. О. Натурные ис­следования напряжённо-деформированного состояния системы «обделка-массив» в со­ставе горно-экологического мониторинга // Метро и тоннели. - 2011. -№ 6. -С. 28-30.

Статья опубликована в журнале"Метро и тоннели" №5 2015