Опыт проведения и крепления Новосибирского метрополитена Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------------------- © С.В. Мучкин, 2008

УДК 622.25 С.В. Мучкин

ОПЫТ ПРОВЕДЕНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ НОВОСИБИРСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА

Описана последовательность проходки Новосибирского метрополитена и приведены результаты исследований определения прочности бетона сегментов тоннельной обделки ТПК «Ловат».

Семинар № 18

ЖЭ геологическом отношении тер-

■Х-#ритория участка сложена верхнепалеозойскими слаботрещиноватыми гранитами Новосибирского интрузивного массива, перекрытыми среднечетвертичными эолово-делю-виальными отложениями краснодубровской свиты мощностью 8,0-50,0 м, представленными переслаиванием лессовых супесей и суглинков с прослоями песков. Кровля палеозойского фундамента неровная, поверхность имеет изрезанный эрозионно-тектони-ческийй рельеф. В результате химического и физического выветривания гранитоиды с поверхности превращены в элювиальные глинистые и дресвяные отложения - кору выветривания, мощность которой не превышает 0,3-1,5 м.

Отложения краснодубровской свиты повсеместно перекрыты техноген-ными грунтами различной мощности 0,8-2,9 м, в котловане станции «Березовая роща» их мощность достигает 11,0 м. Подземные воды вскрыты в виде двух горизонтов, один из которых приурочен к зоне трещиноватых палеозойских пород, а второй - к четвертичным отложениям. Воды этих горизонтов разделены водо-упором - глинистыми грунтами коры выветривания палеозойских пород, на отдельных участках гидравлически связаны между собой (ст. «Березова ро-

ща»). Воды трещиноватой зоны палеозойского фундамента вскрыты на участке станции «Березовая роща» (вестибюль № 1). Воды напорные, величина напора 0,6-1,5 м. Удельный дебит изменяется от 0,012-0,015 л/с до 0,065-0,108 л/с. Подземные воды кайнозойского чехла относятся к грунтовым безнапорным, в пределах участка рассматриваемой трассы метрополитена глубина их залегания изменяется от 9 м (вестибюль №1 ст. «Березовая роща») до 33 м (ст. «Маршала Покрышкина»). Подземные воды неагрессивны по отношению к бетонам любой марки по водонепроницаемости, слабо агрессивны к арматуре железобетонных конструкции при периодическом смачивании и неагрессивны - при постоянном погружении. Рядом расположен Алтая-Саянский сейс-моопасный район, где часто наблюдаются землетрясения. При последнем Алтайском землетрясении в районе города Новосибирска оно зарегистрировано силой 3-4 балла. В геоморфологическом отношении участок исследуемой трассы метрополитена приурочен к правобережному Приобскому плато. Отметки поверхности изменяются от 160,3 до 161,6 м. Естественный рельеф в процессе интенсивной застройки и бла-

гоустройства территории в значительной мере изменен.

Краткая характеристика трассы правого перегонного тоннеля станции «Березовая роща» - станции «Маршала По-крышкина»:

- протяженность участка от ПК 93 +

90,5 до ПК 98 + 95,5 составляет 505 м.

- глубина заложения от 5 м (на ПК 98 + 95,5) до 12 м (на ПК 93 + 90,5)

Проходка левого перегонного тоннеля осуществлялась из предварительно сооруженной монтажной камеры из буронабивных свай размеры, которой 15,3^10,1 м и глубина 16 м. При сооружении камеры велось химическое закрепление заобделочного пространства левого перегонного тоннеля в интервале к.325-к.381, которое было деформировано в результате выносов породы по всему контуру этого отрезка тоннеля.

Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС) провел исследования участка с поверхности по ул. Ипподромской под путепроводом по ул. Гоголя, и было установлено, что необходимо закрепление грунтов методом газовой силикатизации, т. к. дальнейшее проведение

Рис. 1. Выход ТПК «Ловат» в демонтажную камеру

тоннеля невозможно в виду большой обводненности грунтов.

Строительство перегонного тоннеля осуществлялось при помощи механизированного тоннелепроходческого комплекса (ТПК) «Ловат ИМБ 232 ББ 14700», оборудованного системой грунтопригруза для ведения работ в слабых и водонасыщенных грунтах (рис. 1).

Крепление тоннеля производилось сборной ж/б обделкой, наружный диаметр которого составляет 5650 мм, а внутренний диаметр 5200 мм. Ширина кольца равна 1400 мм с гидроизоляционной прокладкой, которая изготавливается и поставляется ООО «Красноярскметрострой».

Монтаж блоков осуществляется в зоне заднего щита с использованием бло-коукладчика. Обделка тоннеля представляет собой кольцо правильной формы, состоящих из шести нормальных и одного замкового ж/б блоков. По расположению блоков (ориентации) по отношению к трассе тоннеля и вертикальной направляющей тоннеля кольца разделяют на правые и левые (рис. 2).

Левое кольцо по наименованию блоков состоит: А-В; В-С; С-Б; Б-Б; Б-Б; Б-О;О-А.

Правое кольцо по наименованию блоков: Б-Т; Т-И; И^; ’№-Х; Х-У; У-2;

г-Б.

Элементы блоков изготавливаются из высокопрочного бетона В45 (по

прочности на сжатие), W10 (по водонепроницаемости), Б150 (по морозостойкости), который армируется горячекатаной арматурой класса А1 Ст3пс ГОСТ380-88 для поперечного армиро-

Рис. 2. Правое и левое кольца обделки по направлению продвижения

вания, периодического профиля А-3 сталь 25пс ГОСТ 5781-82 для продольного армирования, которая изготавливается в качестве сварной сетки.

При ведении проходки по неустойчивым породам возникает необходимость уравновешивания горного давления внутри камеры режущего ротора с окружающими породами для создания безопасных условий работы и исключению к просадке поверхности над тоннелем. По мере продвижения ТВМ, порода через шлюзовые двери ротора поступает в герметичную камеру проходческого щита, где она временно удерживается для поддержания давления на забой.

Для заполнения остающихся за обделкой в процессе проходческих работ пустот и зазоров производят нагнетание растворов, которое обеспечивает совместную работу обделки с окружающим грунтом. Нагнетание производится в два этапа - первичное и контрольное.

При данной ж/б обделки используют гидроизоляционные прокладки между блоками для исключения поступления раствора во внешнюю часть кольца. Первичное нагнетание за сборную обделку производится на каждое смонтированное кольцо. По специальным тру-

бопроводам, расположенным в оболочке ТПК «Ловат» по периметру кольца под давлением не более 5Ат в заобделочное пространство из растворовоза РВ-3,3 посредством растворонасоса «РШТ^-МЛ8ТБЯ» подается цементно-пес-

чаный раствор составом 1:3, время схватывания которого укладывается в промежуток времени от окончания нагнетания до начала передвижки проходческого комплекса. После каждого нагнетания, для предотвращения схватывания раствора в трубопроводах по ним пропускают раствор бентонитовой глины в объеме 0,3 м3. Нагнетание производится снизу вверх по кольцу во все тампонаж-ные отверстия блока по обе стороны вертикальной оси обделки тоннеля. Нагнетание производится при температуре не ниже 5°С (рис. 3). Тампонажные отверстия, в которые производилось нагнетание, закрываются полиэтиленовыми пробками.

Контрольное нагнетание раствора производится по всему периметру сборной обделки составом цементнопесчаным раствором в соотношении 1:0, на расстоянии 40 метров от тоннелепроходческого щита (рис. 4). Шпуры для нагнетания бурятся через тампонажные

Рис. 3. Порядок первичного нагнетания за сборную обделку: 1, 2, 3, 4 - симметричное нагнетания за обделки без связей; 1', 2', 3', 4', 5', 6', 7 '- последовательное нагнетание

Рис. 4. Порядок контрольного нагнетания за обделку кольца: 1,2, 3...- номера скважин; I, II - очередность бурения шпуров; | - направление нагнетания

отверстия по цементному камню на глубину не более 20 см. Нагнетание за обделку производится до прекращения поглощения раствора при предельном давлении, которое составляет не более 5Ат. Отверстия после нагнетания «зачекани-ваются» уплотняющим составом.

В результате лабораторных исследований подобран состав раствора Ц:П=1:0 при В/Ц = 1,33 с добавками бентонитового глинопорошка — 10% и жидкого натриевого стекла (силиката натрия) — 2,3 % от массы цемента, удовлетворяющий следующим требованиям:

Растекаемость раствора, см Водоотделение, %

Выход тампонажного камня, %

Сроки схватывания, ч-мин: начало конец

Прочность на сжатие тампонажного камня на 28 сут, МПа 2,5

Коэффициент фильтрации тампонажного камня, см\с 1,5^10-10 у = Р\У = 2,453\1,717 = 1,43 т/м3

11

0

100

0-40

4-00

Отделом контроля качества ОАО «Оргтехстрой» были проведены исследования определения прочности бетона сегментов тоннельной обделки ТПК «Ловат». Прочность бетона определялась ультразвуковым методом с помощью прибора УК-14П № 1852 и эталонным молотком согласно ГОСТ 17624-87 и ГОСТ 22690-88 соответственно, с учетом требований ГОСТ 18105-86 «Бетоны. Правила контроля прочности». Испытания сегментов, испытанных в тоннеле, показаны в табл. 1.

Согласно ГОСТ 18105-86 п. 3.3,среднее квадратичное отклонение прочности:

1

I (К. - К.)

П - 1

- + ■

Р

где — среднее квадратичное отклонение градуировочной зависимости; п — количество проконтролированных конструкций; Р — количество контролируемых участков в отдельной конст-

Таблица 1

Испытания сегментов на контрольном участке № 12

№ п\п Обозначение сегмента Дата бетонирования Прочность, МПа

1 Б-Т неизв. 51,6 53,0 средн.Кт=52,3

2 В-С неизв. 48,0 48,8 средн Кт=48,4

3 Б-Т неизв. 47,6 46,4 средн Кт=47,0

4 В-С неизв. 53,6 52,0 средн Кт=53,05

5 Х-У неизв. 52,6 52,0 средн Кт=52,3

6 Ш-Х неизв. 52,4 52,0 средн Кт=52,2

Сегменты, складированные на площадке

1 Б-Т 09.12.03 58,9 58,1 средн Кт=58,5

2 Б-Б 30.11.03 52,0 50,8 средн Кт=51,1

3 С-Б 29.11.03 53,0 52,6 средн Кт=52,8

4 ш-и 27.11.03 56,9 56,3 средн Кт=56,6

рукции; К. — среднее значение

прочности всех =52,4 МПа.

конструкции,

К

101,59 + (2,2)2 ,^Л/ГТТ +-------------= 3,70 МПа.

=

‘ 9 2

Коэффициент вариации прочности:

V = = 370 = 0,071

т Ят 52,4

т 5

Класс бетона по прочности:

В = Нт (1 -1,64 Ут) = = 53,4(1 -1,64 • 0,071) = 46,3

В результате этих расчетов видно, что прочность бетона соответствует классу В45.

Определены усилия, возникающие в связях растяжения по радиальным стыкам лотковой части высокоточной железобетонной обделки при динамическом воздействии нагрузки от подвижного состава метрополитена. В основании обделки лежит супесь лессовая, низкопористая, насыщенная водой, пластичная, с прослоями песка.

Характеристика основания:

• коэффициент упругого отпора к = 1,6 кгс\см3;

• модуль деформации при естественной влажности Е = 9,1 МПа;

• угол внутреннего трения ф = 23° при естественной влажности.

Расчет выполняется для участка перегонного тоннеля ст. «Березовая роща»

- ст. «Маршала Покрышкина», сооружаемого с применением ТПК «Ловат».

Сбор нагрузок на лотковую часть кольца Ь = 1,4 м:

1. Нагрузка от веса верхнего строения пути:

н

g =2,5 т/м: 4 м =

=0,625 т/м21,4 м = 0,875 т/м, где 2,5 т/м — вес ВСП (верхнее строение пути) на 1 м.п., 4 м — ширина распределительной нагрузки; 1,4 м — ширина кольца.

2. Нагрузка от веса бетона (заполнение):

н 0,35х 1,305х2,4 л . 2

2 =—-------- ------— = 0,42да/м х

&2 2,60

х1,4 м = 0,588 т/м,

где 0,35 м — высота бетона заполнения переменного сечения; 1,305 м — средняя ширина бетона заполнения; 2,4 т/м2

— объемный вес бетона; 2,60 м — длина распределения нагрузки;

3. Нагрузка от подвижного состава с пассажирами:

15т х 4

ё

= 3,125 т/м: 2,6 м =

3 19,2 м

=1,2х1,4 = 1,7 т/м,

где 15 т — нагрузка на ось состава; 4 — количество осей; 19,2 м — длина подвижного состава; 2,6 м — длина распределения нагрузки.

Динамический коэффициент: для нагрузок от подвижного состава: 1+ц = 1+18:30 =

=1,6 (СНиП 2.05.03-84,ф.18)

для постоянных нагрузок динамическая составляющая ц = 0,6.

По результатам расчета усилие растяжения для одного болта:

N = 2,15 т : 2 = 1,075 т

Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом на растяжение:

N = • аЬп,

где АЬп — площадь сечения болта нетто, для болта М20-2,252 см2; Яы =2000 кг/см2; N = 2000х х2,252 =

4,5 т

Определение резьбового соединения на срез.

Площадь среза дюбеля по виткам резьбы М20 (ГОСТ8724):

Рор = Ч 1ё ,

где 1ё — 0,203 смх30 = 6,09 см; ё1 — внутренний диаметр резьбы болта 1,7294 см; 30 — количество витков;

0,203 см — расчетная длина зубца резьбы по линии среза.

^ = п х 1,7294 х 6,09 =33,09 см2.

Напряжение, возникающее в резьбовом соединении при срезе:

ст = = -1075 = 32,49 кг\см2,

ср ^ 33,09

ср

где N — расчетное продольное усилие, кг.

Требуемое расчетное сопротивление материала дюбеля по срезу:

Яср = 1,2x32,49:0,7=55,7 кг/см2

1, 2 — коэффициент перехода от напряжений к расчетному от напряжений к расчетному сопротивлению; 0,7 — коэффициент на знакопеременные нагрузки.

Требуемое расчетное сопротивление материала дюбеля на растяжение-сжатие:

Я = Яср:0,5 = 55,7:0,5 =

=111,4 кг/см2,

где 0,5 — коэффициент перехода от сопротивления сдвигу.

Таким образом, можно сделать вывод, что при слабом грунтовом основании тоннеля в обделке необходимо иметь постоянные связи растяжения радиальных и кольцевых стыков. Проверка прочности резьбового соединения на динамическое воздействие нагрузки от подвижного состава при ненарушенном грунтовом основании тоннеля (с модулем деформации грунта при естественной влажности) показала: материал дюбеля с учетом процесса старения, должен иметь расчетное сопротивление растяжение-сжатие не менее Я = 112 кг/см2, на срез — не менее Яср =56

кг/см2.

Пластмассовые дюбели поставки для высокоточной обделки перегонного тоннеля, сооружаемой ТПК «Ловат», следует испытать в соответствии с ГОСТ на нагрузки по результатам данного расчета с доведением части образцов до предельного состояния.

Технико-экономические показатели по проходке тоннелей на рассматриваемом участке с сопоставлением показателей с применением ТПК «Ловат»

Таблица 2

Ведомость стоимости проходки перегонных тоннелей

Наименование работ и затрат Сметная стоимость чугунной обделки, тыс. руб. Сметная стоимость ж\б обделки, тыс. руб. Разница в стоимости, тыс. руб.

Проходка и сооружение ЛПТ на участке ПК93+89-ПК100+06,55 7049, в т.ч. прочие 1358,36 5831,69 в т.ч. прочие 452,49 1217,33 в т.ч. прочие 905,87

Проходка и сооружение ЛПТ на участке ПК93+89-ПК100+59,3 6356,28 в т.ч. прочие 2618,23 6745,25 388,97 в т.ч. прочие 1259,87

ИТОГО 13405,3 в т.ч. прочие 2618,23 12576,94 в т.ч. прочие 452,49 828,36 в т.ч. прочие 2165,74

Таблица 3

Наименование показателей Ед. Ж/б Чугун. Примечание

изм. обделка обделка

Длина рассматриваемого участка в м. п 11181,44 1181,44

однопутном исчислении, в т.ч.

- левого тоннеля м. п 611,13 611,13

- правого тоннеля м. п 570,31 570,31

Основные объемы по обделкам ле- В длине уч-

вого тоннеля: тены клино-

- чугунные тюбинги п.м 182,73 611,13 вые вставки

т 981,3 3281,8

- высокоточная ж\б блоки п.м т 428,1 1643,2

Основные объемы по обделкам пра- Длина с уче-

вого тоннеля: том захода в

- чугунные тюбинги п.м т - 570,31 3062,6 к/с на длину обоймы

- индивидуальная из монолитного ж/бетона, включая обделку КТ-5,6 Д2 - высокоточные ж\б блоки п.м м3 п.м м3 80,8 587,4 490,0 1879,5 -

Стоимость проходки участка в ценах 1991 года, в т. ч.: т.руб. 12576,94 13405,3

- левый тоннель т.руб. 5831,69 7049,02

- правый тоннель т.руб. 6745,25 6356,28

Удельная стоимость проходки тон- т.руб. 10,645 11,346

неля по п.4, в т. ч.:

- левый тоннель т.руб. 9,542 11,534

- правый тоннель т. руб. 11,827 11,145

и чугунной обделки щитового комплекса КТ 5,6-Б25.

Для достоверности сравнительных данных учитывались показатели участков:

- ПК 93+88,99 - ПК100+06,55 (611,13 м) - по левому перегонному тоннелю.

- ПК 93+88,99 - ПК99+59,30 (570,31 м) - по левому перегонному тоннелю.

В данный участок по левому перегонному тоннелю включена стоимость проходки от ПК98+31 до ПК100+ +06,55 с обделкой из чугунных тюбингов, сооруженного при помощи щитового комплекса КТ5,6-Б2.

Сопоставительная ведомость стоимости проходки перегонных тоннелей по утвержденной рабочей документации и ТЭР (табл. 3, 4).

По результатам сравнения техникоэкономических показателей следует, что стоимость проходки с высокоточной ж/б обделкой на 12 % дешевле, чем чугунная обделка.

В связи с этим, установлено, что сравнении с ранее использованным тоннелепроходческим комплексом КТ-5,6 Б2 скорость при проходке составляла 40-50 м/мес. в наиболее обводненных местах дальнейшее продвижение его было невозможно. ТПК «Ловат» показал, что в таких сложных условиях, как обводненный грунт, при малой высоте залегания тоннеля от дневной поверхности можно проходить выработки со скоростью 200 м/мес. ггш

— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------

Мучкин С. В. - аспирант ИГД СО РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. Б.А. Картозия..

А