CC BY
140
УДК 624.19:625.42
В.А. Маслак, ген. директор, (+7-812-316-20-22), [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, Ленметрогипротранс),
К.П. Безродный, д-р техн. наук, (+7-812-316-20-22), [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, Ленметрогипротранс),
М.О. Лебедев, канд. техн. наук, (+7-812-316-20-22), [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, Ленметрогипротранс),
Н.А. Лаптев, зам. гл. инж., (+7-812-635-77-17),
[email protected] (Россия, Санкт-Петербург, ОАО «Метрострой»)
ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ НАКЛОННОГО ТОННЕЛЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА
Приведены результаты геотехнического мониторинга при строительстве эскалаторного тоннеля Санкт-Петербургского метрополитена по новой для мировой практики технологии - щитовой проходке. Выполнены исследования состояния системы «обделка - грунтовый массив» в части определения напряженного состояния сборной железобетонной обделки, качества заполнения тампонажным раствором за-обделочного пространства и деформаций дневной поверхности.
Ключевые слова: наклонный тоннель, щит, мониторинг, обделка, массив, влияние, деформации.
Комплекс осложняющих факторов, связанных с инженерногеологическими и гидрогеологическими условиями, глубиной заложения линий метрополитена и плотной городской застройкой, заставляет наряду с усовершенствованием уже отработанных технологий искать и внедрять новые.
Одной из основных задач Петербургских метростроителей в настоящее время является достижение величин деформаций поверхности, при которых будет обеспечено безопасное поддержание существующих зданий и сооружений. Особо остро эта проблема стоит для исторической части города.
Технология строительства ряда подземных выработок в условиях Санкт-Петербургского метрополитена, обеспечивающая «безосадочную» проходку, уже была отработана [1]. Но наибольшую сложность представляют эскалаторные тоннели, проходка которых в пределах мощной толщи четвертичных отложений с применением специальных способов вызывает весьма значительные осадки дневной поверхности.
Для строительства наклонного хода станции «Обводный канал» был применен ТПМК «Аврора» производства фирмы «Херренкнехт АГ» [2]. ТПМК представляет собой комплекс с системой грунтопригруза, способной поддерживать забой, уравновешивая давление грунта и воды, а также воздействовать на грунт посредством нагнетания химических реагентов.
Эскалаторный тоннель выполнен в сборной железобетонной обделке диаметром 10,4 м (рис.1), толщина блоков 500 мм. Блочная железобетонная обделка выполнена из водонепроницаемого бетона с резиновым уплотнением стыков. Для монтажа обделки использовался эректор. Соединение элементов кольца между собой и с ранее установленным кольцом осуществлено болтами. Заобделочное пространство заполнялось специальным водонепроницаемым двухкомпонентным быстротвердеющим раствором, смешивание которого осуществлялось в момент нагнетания в заобделочное простанство.
В геологическом строении участка строительства на глубину до 43 м массив представлен четвертичными отложениями: насыпные грунты, супеси и суглинки различной консистенции. Ниже аргиллитоподобные глины тонкослоистые практически сухие.
До начала проходки были выполнены работы по устройству стартового котлована. Для обеспечения достаточного отпора на начальном этапе строительства вдоль оси тоннеля произвели закрепление грунтов по технологии струйной цементации 1е1;-сваями.
Рис. 1. Общий вид кольца блочной обделки наклонного тоннеля
Для определения особенностей работы системы «обделка - грунтовый массив» и технологических особенностей работы ТПМК были выполнены натурные исследования формирования напряженно-деформированного состояния обделки, контроль деформаций дневной поверхности и
качества заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором.
На участке тоннеля, расположенного в четвертичных отложениях, датчиками было оснащено четыре кольца обделки. В каждом кольце датчики для определения нормальных тангенциальных напряжений и напряжений вдоль оси тоннеля размещены в четырех блоках (рис.2). Применены струнные датчики ТБ-200.
Датчики для определения нормальных тангенциальных напряжений были расположены на внешнем и внутреннем контурах блоков обделки; датчики вдоль оси тоннеля расположены на нейтральной линии блоков. Оснащение блоков датчиками было осуществлено на заводе «Метробе-тон».
В соответствии с полученными результатами определения нормальных тангенциальных напряжений были выявлены следующие закономерности.
Большая часть напряженного состояния обделки (порядка 70...80 %) формируется в процессе введения кольца в работу - после нагнетания тампонажного раствора. После этого еще в течение 2 недель напряженное состояние увеличивается, а затем по разным кольцам и отдельным блокам отмечается различная картина: стабилизация напряженного состояния,
выравнивание напряженного состояния между внешним и внутренним контуром или наоборот увеличение разницы этих напряжений (рис.3). В последнем случае уменьшение сжимающих напряжений на внешнем или внутреннем контуре в некоторых блоках переходит в растяжение.
Наблюдения в течение 4 месяцев показали, что нормальные тангенциальные напряжения в обделке зависят от глубины заложения рассматриваемого сечения. Так, в самом верхнем оснащенном датчиками кольце (рис.4) напряжения составляют 1.2 МПа, а в самом нижнем 6.8 МПа.
На рис. 5 показаны кривые развития напряжений вдоль оси тоннеля в одноименных блоках А по всем четырем контролируемым кольцам.
Здесь можно отметить, что величина напряжений по всем кольцам не превышает 1 МПа. После монтажа колец и введения их в работу, напряжения продолжают возрастать в течение 2-3 недель. После окончания проходки тоннеля отмечается снижение продольных напряжений. Аналогичная картина наблюдается и в блоках Е, но с еще большей интенсивностью. Там напряжения в конце марта составляют всего 0,1...0,2 МПа.
Исключение в общей картине развития напряжений вдоль оси тоннеля составляет кольцо 20, где в блоке А сразу после ввода кольца в работу формируются растягивающие напряжения и остаются таковыми в течение всего периода наблюдений.
Деформация. отн.ед*10-5
Рис. 2. Схемарасположения датчиков в кольце обделки:
1 - датчики измерения поперечных напряжений
(на внешнем и внутреннем контурах);
2 - датчики измерения продольных напряжений
Продолжительность наблюдений, дата
—о— Д е фт еш ний) —о— деф -Я §В Н ут ЙШЯкг
—— напйй' ШЙИРЙЙ) —■— нагЩШ^утЩЩЩЩЙ
Рис. 3. Кривыеразвития деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетоне в блоке С кольца №60
Нормальное тангенциальное напряжение, МПа
Рис. 4. Разрез наклонного хода ст. «Обводный канал» сразмещением колец, оснащенной датчиками кривых деформаций на дневной
поверхности
я
С
і—і
л
Б
I
К
С
я
а
Продолжительность наблюдений, дата
-кольцо 10 —*—кольцо 20 —•—кольцо 46 —■—кольцо 60
Рис. 5. Кривые развития напряжений вдоль оси тоннеля в блоках А всех контролируемых колец обделки
Наблюдения за осадками на дневной поверхности выполнялись по грунтовым реперам. Была проложены три профильных линии (рис.6) - одна вдоль оси тоннеля и две поперек. Измерения выполнялись при помощи тахеометра.
По результатам измерений были зафиксированы достаточно большие величины деформаций уже непосредственно при проходке. Так, к моменту окончания проходки наклонного хода на участке, где глубина заложения до щелыги свода составляет 1,5 диаметра тоннеля, деформации составили 74 мм (рис. 4). Еще через три месяца деформации увеличились на 25 % и составили 95 мм.
Качество заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором выполнялось методом сверхширокополосного зондирования специалистами НПФ «Геодизонд». Данный способ является разновидностью радиолокационного метода подповерхностного зондирования. Он включает в себя принцип работы импульсного радиолокатора-дальномера как способа сбора измерительной информации и методику идентификации подповерхностных структур как набора динамических систем с переменными в пространстве параметрами.
По данным проведенных исследований на большей части длины тоннеля выявлено наличие пустот за обделкой, общий характер которых показан на рис. 7.
Рис. 6. Схема наблюдательной станции при сооружении наклонного хода
Кольцо № 17
ТЗ-12
- Точка ЭМИ СШП зондирования, ее номер
- Зона разуплотнения средней степени
- Зона интенсивного разуплотнения \
• Контур закрепительного кольца
• Проектная граница закрепления тампонажным раствором
А-5-К - Маркировка блоков
закрепительного кольца
- Пустота
Рис. 7. Интерпретация геофизических исследований качества заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором
По элементам геотехнического мониторинга при проходке наклонного тоннеля по новой для условий Санкт-Петербургского метрополитена технологии (щитовым способом) получены следующие результаты:
- незначительные величины нормальных тангенциальных напряжений по периметру колец обделки, не превышающие 8 МПа, свидетельствуют о значительном запасе ее несущей способности;
- вдоль оси тоннеля действуют незначительные сжимающие напряжения - до 1 МПа, которые с отходом забоя и после окончания проходки имеют тенденцию к уменьшению вплоть до нулевых значений;
- на дневной поверхности зафиксированы деформации дневной поверхности, превышающие расчетные величины более, чем в 2 раза. Через три месяца после окончания проходки деформации продолжают возрастать;
- после заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором было выявлено наличие пустот.
Результаты геотехнического мониторинга позволили дать обосно -ванное заключение о несоответствии некоторых технологических параметров работы щита и возведения обделки основной задаче - достижении та-
ких величин деформаций, при которых будет достигнуто безопасное поддержание существующих зданий на поверхности.
Строительство эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал» пионерным способом было принято не случайно. Многолетняя задержка ввода в работу станции «Адмиралтейская» Санкт-Петербургского метрополитена связана с отсутствием до сегодняшнего дня технологии, при которой были бы сохранены здания на дневной поверхности, представляющие историческую ценность и стоящие под охраной государства.
Выявленные в процессе экспериментального строительства недостатки технологического и идеологического характера стали корректироваться еще при строительстве тоннеля. Большую работу в данном случае выполнил ОАО «Метрострой» [3].
Полученный опыт строительства, принципиальное изменение контроля технологических параметров ведения щита и разработка мероприятий по предотвращению развития деформаций на их начальной стадии (непосредственно от контура тоннеля) позволяют уверенно говорить о безаварийном строительстве эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская», проходка которого должна быть выполнена в 2010 году.
Список литературы
1. Лебедев М.О., Маслак В.А. Натурные исследования при внедрении новых геотехнологий строительства тоннелей в условиях Санкт-Петербургского метрополитена // Изв ТулГУ. Естественные науки. Вып. 3. 2008. С. 96-99.
2. Гигиняк Е.И. Сооружение наклонного хода станции метрополитена с помощью ТПМК фирмы «Херренкнехт» в Санкт-Петербурге. // Метро и тоннели. 2009. №5. С. 4-5.
3. Старков А.Ю., Лаптев Н.А. Итоги проходки наклонного хода станции «Обводный канал» в Санкт-Петербурге // Метро и тоннели. 2010. №1. С. 22-23.
V. Maslak, K. Bezrodny, M. Lebedev, N. Laptev
Geotechnical monitoring during shield driving of an inclined tunnel in St.Petersburg
metro
The paper presents the results of geotechnical monitoring during construction of an escalator tunnel in St.Petersburg metro applying a technology which is new for the world practice - shield driving. Condition of the «lining - soil mass» system was investigated in respect of determining a stressed state of precast reinforced concrete lining, quality of filling the space behind the lining with grouting mortar and day surface deformations.
Key words: incline tunnel, shield, lining, massif, influence, deformations.
Получено 22.09.10
