CC BY
23DOI 10.52170/1815-9265_2021_59_101 УДК 624.19.058.2; 625.42
Е. Г. Козин
Анализ процессов сдвижения земной поверхности при сооружении новых линий метрополитена в дельте р. Невы Санкт-Петербурга
Поступила 22.12.2020
Рецензирование 08.10.2021 Принята к печати 12.10.2021
В статье представлены результаты исследования влияния строительства участка 3-й линии Петербургского метрополитена, от ст. «Приморская» до ст. «Беговая», на деформации земной поверхности, зданий и сооружений, попадающих в зону влияния строительства. Даны инженерно-геологические характеристики участка строительства тоннелей и станционного комплекса мелкого заложения ст. «Беговая». Приводится сравнительный анализ развития процесса сдвижения земной поверхности при проходке двухпутного тоннеля большого диаметра тоннелепроходческим механизированным комплексом с пригрузом забоя (ТПМК) и однопутного тоннеля в различных горно-геологических условиях и на различных глубинах заложения, в том числе на малых глубинах в обводненной толще четвертичных пород. Оценивается влияние сооружения демонтажной камеры большого диаметра и станционных комплексов, один из которых расположен на намывных территориях Финского залива, на деформации земной поверхности.
Результаты исследования показали, что при проходке ТПМК двухпутного тоннеля большого диаметра на малых глубинах в неустойчивых грунтах и на больших глубинах в коренных породах максимальные величины осадок земной поверхности практически одинаковы. Отмечается, что при проходке двух однопутных тоннелей диаметром 5,5 м с межосевым расстоянием 15 м и более деформации земной поверхности меньше деформаций, имеющих место при проходке одного двухпутного тоннеля диаметром 10,3 м в аналогичных условиях. При сооружении станционных комплексов мелкого заложения открытым способом в неустойчивых обводненных грунтах деформации земной поверхности достигли значительных величин. Все здания, сооружения и подземные коммуникации, попадающие в зону влияния строительства, сохранили свою эксплуатационную пригодность. В качестве одной из основных форм эксплуатационного контроля рекомендован мониторинг, включающий наблюдения за сдвижениями земной поверхности.
Ключевые слова: однопутный перегонный тоннель, тоннелепроходческий механизированный комплекс, двухпутный перегонный тоннель, маркшейдерско-геодезический мониторинг, деформации земной поверхности, осадка репера.
Введение
Активное строительство метрополитена в Санкт-Петербурге началось в конце 40-х -начале 50-х гг. прошлого века. Выбор технологии сооружения тоннелей и глубины их расположения был обусловлен наличием в верхней части грунтового массива глубиной до 25-40 м неустойчивых обводненных грунтов. Кроме того, большинство станций первых линий метрополитена проектировались в историческом центре города. Практически все объекты на земной поверхности в историческом центре являются памятниками архитектуры, для которых принятие конструктивных мер защиты представляет значительные трудности или вовсе невозможно. Строительство подземных сооружений в центре города на малых глубинах может нанести большой урон памятникам архитектуры и повлечь за собой большие финансовые затраты на их капитальный ремонт либо восстановление [1]. Вследствие этого станции метрополитена и перегон-
ные тоннели в Санкт-Петербурге сооружаются горным или щитовым способом, на значительной глубине. При таком способе строительства происходит плавное сдвижение грунтового массива и, соответственно, не нарушается эксплуатационная способность оснований зданий и сооружений на поверхности [2].
Строительство перегонных тоннелей метрополитена на основе использования тоннеле-проходческих механизированных комплексов (ТПМК) с пригрузом забоя позволяет обеспечить выход линий на малые глубины и сооружение станций в котловане открытым способом. Мелкое заложение выработок определяет условия расположения тоннелей в слабой, неустойчивой и обводненной толще четвертичных пород, где традиционные способы проходки перегонных тоннелей неприменимы. Двухпутная компоновка линии метрополитена позволяет использовать один перегонный тоннель, который сооружается ТПМК диаметром 10,3 м. Участок метрополитена от
ст. «Приморская» до ст. «Беговая» с промежуточной ст. «Зенит», расположенной у стадиона «Газпром-Арена», стал одним из примеров сочетания открытого и закрытого способа работ при сооружении станционных комплексов совместно с щитовой проходкой двухпутных перегонных тоннелей с использованием ТПМК, с пригрузом забоя [3].
Характеристики участка строительства линии метрополитена
Общая длина строительства рассматриваемого участка метрополитена около 6 км. Сооружение двухпутного перегонного тоннеля выполнялось закрытым способом Т ПМК S-782 «Надежда» производства компании Неггеп-кпесЫ; AG, с грунтопригрузом забоя. Диаметр щита 10,65 м. Внешний диаметр обделки 10,3 м; внутренний диаметр обделки 9,4 м. Ранее ТПМК использовался для строительства двухпутного тоннеля на участке Фрунзенского радиуса Петербургского метрополитена [4].
Большая часть двухпутного перегонного тоннеля от стартового котлована пройдена в совершенно неустойчивых грунтах четвертичных отложений, представленных озерно-морскими и озерно-ледниковыми слоистыми суглинками, водонасыщенными песками, моренными супесями и суглинками, на глубине от 5 до 15 м по шелыге свода.
От ст. «Зенит» двухпутный тоннель уходит к ст. «Приморская», с мелкого заложения на глубокое. Глубина шелыги свода увеличивается с 10,7 до 62,7 м. После демонтажной камеры линия переходит в два однопутных тоннеля наружным диаметром 5,6 м, сооруженных механизированным щитом КТ-5,6 Ясино-ватского машиностроительного завода [5].
Трасса двухпутного тоннеля пересекает действующую линию железной дороги, автомобильную дорогу Западного скоростного диаметра (ЗСД), линию трамвайных путей и подземные коммуникации, включая канализационный коллектор. Кроме того, над тоннелем расположены многочисленные многоэтажные здания, в том числе вблизи демон-тажной камеры большого диаметра. Значительная часть трассы тоннеля проходит под дном Финского залива в дельте р. Невы.
В непосредственной близости к станционному комплексу, временно конечному на 3-й
линии, находится многоэтажное жилое здание и торгово-развлекательный комплекс.
Исследование данных натурных наблюдений маркшейдерско-геодезического мониторинга
На основании данных натурных наблюдений маркшейдерско-геодезического мониторинга в процессе сооружения и после окончания строительства был выполнен анализ развития процесса сдвижения земной поверхности при проходке двухпутного тоннеля в разных грунтовых условиях, однопутных тоннелей и строительстве станционных комплексов [6].
Двухпутный тоннель в районе его пересечения с действующей железной дорогой сооружен на малой глубине в неустойчивых обводненных грунтах.
Линия профильных реперов расположена в поперечном направлении к оси тоннеля вдоль железнодорожного полотна. На рис. 1 построены графики деформаций земной поверхности по этой профильной линии. По рисунку видно, что максимальное оседание 29 мм в марте 2017 г. зафиксировано на репере, расположенном над осью тоннеля; максимальный наклон составил 2,0 • 10-3.
Максимальные измеренные горизонтальные деформации составили 0,6 • 10-3.
Для железнодорожных путей IV категории допустимые деформации составляют: наклон i = 10 • 10-3, горизонтальные деформации е = 8 • 10-3 [7]. Следовательно, фактически достигнутые деформации поверхности в районе расположения железной дороги значительно ниже допустимых значений.
Рисунок 2 иллюстрирует осадку репера, расположенного над осью тоннеля. В марте 2016 г., во время проходки тоннеля, под этим репером наблюдалась активная стадия сдвижения поверхности и оседание репера достигло 18 мм. После монтажа обделки тоннеля и окончания влияния забоя, за период наблюдений с апреля 2016 г. по март 2017 г., скорость оседания значительно снизилась и процесс сдвижения земной поверхности продолжился в затухающем режиме, совокупное оседание репера увеличилось на 11 мм.
На участках проходки двухпутного и однопутных тоннелей, пройденных на большой глубине в коренных породах протерозойских глин, практически в одно и то же время картина оседаний грунтовых реперов несколько иная.
Рис. 1. Деформации земной поверхности в районе пересечения тоннелем железной дороги по состоянию на 2017 г. (от отметок декабря 2015 г.)
Рис. 2. Изменение во времени оседания
Репер 1 (рис. 3) расположен над осью правого однопутного перегонного тоннеля диаметром 5,5 м; репер 2 - над осью двухпутного тоннеля диаметром 10,3 м. Анализ показывает, что рост оседания репера 1 наблюдался при проходке под ним правого перегонного тоннеля и к окончанию влияния проходки его осадка достигла 9 мм. Под влиянием проходки левого перегонного тоннеля оседание этого репера увеличилось на 8 мм и составило 17 мм. За последующие шесть месяцев наблюдений оседание репера увеличилось еще на 6 мм, до 23 мм.
При проходке двухпутного тоннеля под репером 2 наблюдалось более резкое увеличение оседания. К окончанию влияния за-боя
репера, расположенного над осью тоннеля
было зафиксировано оседание 21 мм. За последующие пять месяцев наблюдений оседание этого репера увеличилось до 27 мм.
Двухпутный тоннель сооружался вблизи опор ЗСД, под углом к трассе. В плане наименьшее расстояние от тоннеля до опор составляло 8-10 м. По высоте шелыга свода тоннеля находилась на расстоянии от 30 м выше отметки основания свай до практически одного уровня с ним.
Измерения осадок производились по деформационным реперам опор ЗСД, расположенным в зоне влияния проходки тоннеля. Наблюдение за опорами ЗСД осуществляется с декабря 2015 г. Из результатов измерений следует, что за период наблюдений с декабря
2015 г. по сентябрь 2017 г. оседания деформационных реперов в основном изменялись в пределах достоверно определяемых значений (кроме ближних к тоннелю опор - 9 и 18 мм).
Максимальный замеренный в сентябре 2017 г. наклон пролетов (относительных разностей осадок смежных опор) очень незначителен и составил 0,0003, что ниже допустимых значений [8]. Активного развития деформационных процессов опор ЗСД во время проходки и после ее окончания не наблюдалось.
Рисунок 4 иллюстрирует нарастание во времени оседания реперов, расположенных по разным сторонам котлована стройплощадки в период строительства ст. «Беговая» открытым способом работ, с применением элементов
технологии «Топ Даун». Анализ показывает, что при сооружении стены в грунте и проходке двухпутного тоннеля через тело станции оседание реперов не превысило 10 мм. С началом выемки грунта из котлована в августе 2016 г. скорость оседания этих реперов увеличилась. Активный рост оседания реперов продолжался до замыкания конструкций свода станции в ноябре 2017 г. В период с ноября 2017 г. по октябрь 2018 г. по периметру стройплощадки наблюдался рост оседания реперов в затухающем режиме. За период наблюдений за деформациями с декабря 2017 г. по октябрь 2018 г. по профильным реперам, расположенным по периметру станции, зафиксировано их оседание от 4 до 29 мм.
Рис. 3. Изменение оседания реперов 1 и 2
Рис. 4. Изменение во времени оседания реперов по разным сторонам котлована стройплощадки ст. «Беговая»
Рис. 5. Оседание реперов: грунтовых вдоль котлована ст. «Беговая» и расположенных напротив,
на цоколе здания
На рисунке 5 построены графики деформаций земной поверхности по грунтовым реперам вдоль стройплощадки ст. «Беговая» и по реперам на цоколе фасадной стороны здания, расположенного напротив. На рисунке видно, что величины оседания по реперам на цоколе здания значительно меньше оседаний, измеренных по грунтовым реперам, вследствие расположения свайного фундамента здания ниже уровня дна котлована станции.
Наблюдения показали, что в октябре 2018 г. максимальные фактические оседания 29 мм и максимальный наклон (относительная разность оседания смежных реперов) 0,0009 приблизились к предельно допустимым значениям для этого здания: 30 мм и 0,0010 [9].
За период с декабря 2017 г. по октябрь 2018 г. рост оседания деформационных марок на здании составил 1-4 мм.
После начала эксплуатации участка 3-й линии Петербургского метрополитена от ст. «Приморская» до ст. «Беговая» оседание земной поверхности на участке от ст. «Приморская» до ст. «Новокрестовская» за период с октября 2018 г. по март 2020 г. составило 7-9 мм.
На участке метрополитена в районе ст. «Беговая» за период наблюдений с октября 2018 г. по март 2020 г. большинство профильных реперов, расположенных по периметру пешеходного перехода, зафиксировало увеличение оседания на 5-10 мм.
Выводы
1. Проведенные исследования показали, что в процессе строительства участка 3-й ли-
нии метрополитена в дельте р. Невы максимальные осадки земной поверхности зафиксированы в районе сооружения демонтажной камеры большого диаметра (до 75 мм) и станционных комплексов (до 330 мм). Максимальные осадки поверхности над осью двухпутного тоннеля составили до 30 мм при проходке тоннеля как на малой глубине в неустойчивых грунтах, так и на большей глубине в коренных породах протерозойских глин. Максимальное оседание земной поверхности после проходки двух однопутных тоннелей при межосевом расстоянии 15 м составило 23 мм.
2. После окончания строительства процесс сдвижения продолжил развиваться с меньшей интенсивностью (скоростями). За период наблюдений за деформациями поверхности, зданий и сооружений максимальное увеличение оседания зафиксировано через год после окончания строительства: по большинству зданий 47 мм, по грунтовым реперам 4-28 мм.
3. Все здания, сооружения и подземные коммуникации, попадающие в зону влияния строительства рассматриваемой линии метрополитена, полностью сохранили свою эксплуатационную пригодность. В качестве одной из основных форм эксплуатационного контроля рекомендован мониторинг, включающий наблюдения за сдвижением земной поверхности.
4. При проходке двухпутного тоннеля проходческим механизированным комплексом с пригрузом забоя на малых глубинах в неустойчивых грунтах и на больших глубинах в
коренных породах протерозойских глин максимальные значения оседания земной поверхности практически одинаковы.
5. При проходке тоннелей на малых глубинах значительно уменьшается площадь мульды сдвижения земной поверхности и время активной стадии развития процесса сдвижения, т. е. время нахождения существующих объектов в зоне активного развития деформаций.
6. Деформации земной поверхности при проходке двух однопутных тоннелей диаметром 5,5 м с межосевым расстоянием 15 м и более меньше деформаций, имеющих место при проходке одного двухпутного тоннеля диаметром 10,3 м, пройденного на такой же глубине в коренных породах протерозойских глин.
7. При сооружении двух станционных комплексов мелкого заложения, один из которых
расположен на намывных территориях в Финском заливе, с применением технологии «стена в грунте» и элементов технологии «Топ Даун» в неустойчивых обводненных грунтах деформации земной поверхности достигли значительных величин в пределах прогнозных значений.
8. В дальнейшем при сооружении станций и перегонных тоннелей метрополитена в аналогичных условиях требуется внесение корректировок в технологические процессы строительства для снижения деформаций и уменьшения их воздействия на расположенные в зоне влияния здания и сооружения. В качестве основных организационных мероприятий необходимо рассматривать сокращение сроков возведения постоянных несущих конструкций и времени создания замкнутого контура обделки.
Библиографический список
1. Козин Е. Г. Особенности системы содержания искусственных сооружений метрополитена в дельте реки Невы. СПб. : Невзоров От Эколь, 2017. 57 с.
2. Хуцкий В. П. Безопасные параметры сдвижения земной поверхности при строительстве метрополитена в Санкт-Петербурге // Записки горного института. 2012. Т. 199. С. 263-268.
3. Ледяев А. П., Бойцов Д. А., Ледяева Н. Я. Теоретическое обоснование компоновочных решений станционных комплексов метрополитена средней глубины заложения (до 40 м) в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга // Транспортные сооружения : интернет-журнал. 2019. № 3. URL: https://t-s.today/ PDF/07SATS319.pdf (дата обращения: 23.06.2021).
4. Старков А. Ю. Технология строительства двухпутного перегонного тоннеля Санкт-Петербургского метрополитена // Метро и тоннели. 2011. № 2. С. 8-9.
5. Щитовые проходческие комплексы учеб. пособие / В. А. Бреннер, А. Б. Жабин, М. М. Щеголевский [и др.]. М. : Горная книга : Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2009. 447 с.
6. Козин Е. Г., Савков Б. М., Хуцкий В. П. Исследование процесса сдвижения земной поверхности на участке между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» в Санкт-Петербурге // Метро и тоннели. 2006. № 4. С. 32-35.
7. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях : ПБ 07-269-98 : утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 16 марта 1998 г. № 13. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200029691 (дата обращения: 23.06.2021).
8. СП 21.13330.2012. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах : ак-туализир. ред. СНиП 2.01.09-91 : введ. 01.01.2013. Доступ из справ.-правовой системы «Гарант» (дата обращения: 23.06.2021).
9. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге : ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург : дата введ. 2004-10-01. Доступ из справ.-правовой системы «Гарант» (дата обращения: 23.06.2021).
E. G. Kozin
Analysis of Surface Movement during Construction of New Subway Lines in the Neva Delta, Saint Petersburg
Abstract. The article presents the results of a study on the effects of constructing a section of the third line St. Petersburg subway from Primorskaya station to Begovaya station, in terms of deformations in the ground surface, buildings and structures within the impact area of construction. It gives the engineering and geological characteristics of the tunnels and Begovaya station subsurface complex construction site. The article includes a comparative analysis of the ground surface shifting process development during building of a large-diameter two-
lane tunnel by using a mechanized tunnel boring complex with a depth counterweight (hereinafter "MTBC") and a single-lane tunnel under different mining and geological conditions and at different depths of contour interval, including at shallow depths in water-saturated quaternary ground. It evaluates the effect of the building a large-diameter breakdown chamber and station complexes, one of which is located on the alluvial territories of the Gulf of Finland, on the ground surface deformation.
The results of the study showed that when using a MTBC to bore a large-diameter two-lane tunnel at shallow depths in unstable soil and at great depths in bedrock, the maximum values of ground subsidence are almost the same. It is noted that when boring two single-lane tunnels with diameter of 5.5 m and interaxial distance of 15 m or more, the ground surface deformations are smaller compared to the deformations when boring one two-lane tunnel with diameter of 10.3 m under similar conditions. When constructing subsurface station complexes using cut-and-cover in unstable, water-saturated soil, ground surface deformation reached considerable levels. All buildings, structures and underground utility lines within the impact area of the subway line construction retained their operability. Monitoring, including observing ground surface shifts, is recommended as one of the principal measures for operational control.
Key words: a single-lane main-line tunnel; a mechanized tunnel-boring complex; two-lane main-line tunnel; mine and geodesy monitoring; ground deformation; reference point submersion.
Козин Евгений Германович - кандидат технических наук, начальник Санкт-Петербургского государственного унитарного предприятия «Петербургский метрополитен». E-mail: ns@metro.spb.ru
