CC BY
27
УДК 622.271.333
К.А. Биктимирова
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОБВОДНЕННЫХ МАССИВОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕТРОПОЛИТЕНА ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ И ПРИМЕНЕНИИ БЕСТРАНШЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОКЛАДКИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
Рассмотрены проблемы, возникающие при строительстве метрополитена открытым способом, а также при прокладке подземных коммуникаций подземным способом, а именно методом горизонтально-направленного бурения. Рассмотрены вопросы образования прорыва воды в горную выработку, а также проведена оценка устойчивости откосов котлованов. В результате расчетов и детального анализа выявлены зависимости величины ткрит. относительного водоупора от величины напора на слабопроницаемый пласт для котлованов с разной площадью прорывоопасного участка и зависимости коэффициента запаса устойчивости от высоты откоса котлована и высоты воды в нем.
Ключевые слова: грунтовые воды, относительный водоупор, прорывоопасный участок, напор, коэффициент запаса устойчивости, высота откоса.
Город Москва, как и многие мегаполисы мира, сталкивается с неуклонным ростом численности населения, увеличением территории комплексной застройки и необходимостью развития транспортной инфраструктуры города. В связи с современной градостроительной политикой массово застраиваются центральные районы города на территориях бывших заводов, фабрик, комбинатов, а также районы ближнего Подмосковья, охватывая все большие площади земель. Жизнь в мегаполисе —это движение, и для обеспечения функциональности и развития новых жилых комплексов строятся эстакады, дороги, ж/д сообщение и один из
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-196-203
самых важных направлений развития транспортной доступности — метрополитен. Для обеспечения мобильности населения появляется все большее количество станций и новых веток, например, 3-ий пересадочный контур, Кожуховская линия и т. д.
Как показывает практика, чем глубже станция, тем она дороже и требует больших затрат ресурсов. В 2011 г. в Москве было решено большинство новых станций прокладывать открытым способом. Достаточно выкопать котлован, установить бетонные конструкции, выполнить обратную засыпку и уже внутри полученного коридора укладывать пути.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 196-203. © К.А. Биктимирова. 2017.
Это не только дешевле, но и гораздо быстрее, чем строить станции глубокого заложения [3].
Открытым способом тоннели и станции сооружают на небольшой глубине. Применяют открытый способ на малоза-строенных или свободных от застройки территориях, так как все работы проводят в открытых котлованах или траншеях.
При открытом способе исключаются специфические трудности подземных работ, тоннели сооружаются общестроительными методами с применением высокопроизводительных машин и крупноразмерных конструкций на большой длине участка, т.е. практически при неограниченном фронте работ. Благодаря этому темпы работ по сравнению с темпами при закрытом способе выше, а трудоемкость возведения конструкций ниже.
Недостатки открытого способа заключаются в неизбежности нарушения нормальной жизни города в период строительства, сноса расположенных в зоне строительства зданий и других сооружений или укрепления их фундаментов, в необходимости перекладки большого количества городских коммуникаций.
Перегонные тоннели сооружают открытым способом, как правило, двухпутными при глубине (от поверхности земли до основания тоннеля) 10—12 м. Глубина заложения станций достигает 20—22 м.
Строить тоннели и станции открытым способом приходится в большинстве случаев в песках и глинистых грунтах, обладающих малой устойчивостью и требующих надежного крепления котлованов и траншей или разработки котлованов с откосами. Строительство в котлованах с откосами более предпочтительно, так как организация земляных работ в этом случае проще и появляется возможность использовать наиболее производительные землеройные машины. Однако для такого строительства необходимо иметь большие свободные территории. Поэто-
му в обычных городских условиях более распространенным является строительство в котлованах с вертикальными стенами и их креплением.
При уровне грунтовых вод выше основания тоннеля или станции работы ведут с искусственным водопонижением, достигаемым путем открытого водоотлива, дренажем (отводом грунтовых вод), игло-фильтровым, вакуумным и другими способами. Эти способы применяют самостоятельно или в различных сочетаниях.
В слабых водонасыщенных грунтах с низким коэффициентом фильтрации, когда водопонижение сильно затруднено, прибегают к искусственному замораживанию грунтов с расположением замораживающих скважин в один или два ряда.
Основной принцип организации работ при открытом способе работ состоит в обеспечении комплексного строительного потока, при котором полностью исключаются взаимные помехи при выполнении отдельных технологических процессов.
Строительный поток начинается с подготовительных работ, предусматривающих в зависимости от местных условий снос зданий и других строений, попадающих в зону строительства, вырубку и пересадку зеленых насаждений, расчистку и планировку территории, устройство автодорог и временных водоотводных канав, усиление фундаментов зданий, близко расположенных к котлованам, перекладку или подвеску подземных коммуникаций, искусственное понижение грунтовых вод или замораживание слабых водонасыщенных грунтов.
Далее выполняют основные работы: земляные работы и крепление котлована, возведение несущих конструкций с устройством гидроизоляции, монтаж внутренних конструкций, обратную засыпку котлована. В завершающей стадии работ производят планировку территории, восстановление покрытий поверхности
улиц и площадей или зеленых насаждений [4].
А вот что касается вопроса перекладки большого количества городских коммуникаций при проведении строительных работ тенденции последних лет указывают на то, что коммунальные службы города Москвы и Подмосковья все больше внимания уделяют вопросам использования перспективных бестраншейных технологий восстановления (санации) и прокладки водопроводных, водоотво-дящих и других сетей, что является экономичной, надежной и безопасной для экологии альтернативой традиционному открытому способу реконструкции и строительства трубопроводов [1].
К бестраншейным технологиям относится:
• продавливание стального футляра или микротоннелирование;
• метод земляного прокола;
• горизонтальное направленное бурение;
• ремонт и замена трубопроводов «методом пневмопробойника».
Из всех вышеперечисленных методов особое внимание хотелось бы уделить методу горизонтально-направленного бурения.
Горизонтально-направленное бурение (horizontaldirectional drilling) — многоэтапная технология бестраншейной прокладки подземных инженерных коммуникаций при помощи специализированных мобильных буровых установок, позволяющая вести управляемую проходку по криволинейной траектории, расширять скважину, протягивать трубопровод. Бурение ведется под контролем систем локации и с использованием бентонитовых (полимерных) буровых растворов [2].
Строительство метро открытым способом и прокладка подземных коммуникаций на примере метода ГНБ сталкивается с многими проблемами. Самый главный враг строительства — это
подземные грунтовые воды, которые затрудняют проведение строительства. Поступление подземных вод в котлованы и траншеи вызывают подтопление, которое усугубляется ограниченностью объема выработанного пространства. По этой причине даже кратковременное и единичное, сконцентрированное на локальном участке водопроявление может служить причиной создания аварийной ситуации.
Деформации почвы и откосов выработки наблюдаются при наличии напорных водоносных пластов, экранированных глинистыми породами. Развитие деформаций относительных водоупоров может приводить в этом случае к прорывам воды и водонасыщенных песчано-глинистых пород в траншеи и котлованы.
Возможность прорыва воды из напорного пласта через относительный во-доупор в горную выработку (рис. 1) оценивают, используя соотношение:
НувР > ттР ± (увп — ув)(1 — п)тР, (1)
где Н — напор на слабопроницаемый пласт (относительный водоупор); Е Р — площадь и периметр прорывоопасного участка; увп, т — плотность частиц поро-
Рис. 1. Схема к оценке устойчивости водоупо-ра в почве горной выработки: 1 — напорный водоносный пласт, 2 — водоупор, 3 — горная выработка (подземная или открытая), 4 — сниженный уровень безнапорного горизонта
ш крит..м
40
35 30 25 20
15
10
Г=40ООн 2
Е=30 м
Н. м
0,00 10,00 20.00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00
Рис. 2. График зависимости т относительного водоупора от величины напора на слабопроницаемый пласт для двух котлованов с разной площадью прорывоопасного участка
ды и мощность относительного водоупора; п — пористость; т — сопротивление сдвигу пород водоупора (вкрест напластования).
В формуле (1) знак «+» используют при оценке вероятности прорыва через слабопроницаемый пласт, залегающий в почве горной выработки, знак «—» — в случае прорыва со стороны кровли горной выработки.
Вскрытие песчано-глинистых водо-насыщенных отложений при разработке котлованов различного назначения (в нашем случае это котлованы под строительство перегонных тоннелей и станций метрополитена, а также рабочие и приемные котлованы для проведения горизонтально направленного бурения) сопровождается их разгрузкой и серьезными осложнениями за счет разуплотнения и набухания глинистых разностей горных пород, проявления пучения на дне котлованов или в откосах. Водона-сыщенные рыхлые породы оплывают в стенках выработок и канав на почве выработок, затрудняя отвод подземных вод к насосным установкам.
Следовательно, влияние подземных вод на условия строительства необходимо оценивать в тесной взаимосвязи с
развитием геомеханических процессов, особенности которых зависят от технологии горных работ и геологических условий объекта строительства. При одном и том же водопритоке в разных котлованах могут наблюдаться различные последствия в зависимости от литологического состава и свойств вскрытых пород. Как уже отмечалось, максимальные сложности возникают при вскрытии песча-но-глинистых слабо литифицированных отложений.
Если вскрываемый породный комплекс представлен полускальными породами, не склонными к набуханию и раз-моканию, даже существенные водопри-токи в котлован не создают трудностей в ведении строительных работ. Борьба с подземными водами в этом случае сводится к организации отвода их централизованному водоотливному комплексу. Однако при весьма высоких водопри-токах в выработки нередко приходится применять мероприятия по частичному перехвату подземных вод средствами глубинного дренажа для обеспечения нормальных условий ведения горных работ [5].
На рис. 2 представлен график зависимости величины т относительного
крит.
Таблица 1
Рабочий котлован, сооружаемый для установки оборудования для ГНБ
Исходные данные
Параметры котлована: длина, м ширина, м 10 8
Площадь прорывоопасного участка Р, м2 80
Периметр прорывоопасного участка Р, м 36
Пористость пород п 0,4
Сопротивление сдвигу пород водоупора т, т/м2 10
Плотность воды ув, т/м3 1
Плотность частиц породы увп, т/м3 2,66
Напор на слабопроницаемый пласт Н переменная величина
Мощность относительного водоупора т переменная величина
водоупора от величины напора на слабопроницаемый пласт для двух котлованов с разной площадью прорывоопас-ного участка (табл. 1, 2).
Влияние гидродинамического давления на устойчивость откосов котлованов особенно велико для полускальных прочных пород. При оценке устойчивости откосов котлованов совместное действие объемных сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления может быть учтено путем вычи-
тания нормальной составляющей сил нейтрального давления из нормальной составляющей сил полного давления. Расчетная схема предусматривает разбиение участка приоткосного массива, заключенного между линией откоса и потенциальной поверхностью скольжения (оползания) на ряд вертикальных элементарных блоков (рис. 3). Нормальную составляющую сил нейтрального давления, действующую в пределах каждого блока, определяют по формуле:
Таблица 2
Котлован, сооружаемый для строительства станции метрополитена
Исходные данные
Параметры котлована: длина, м ширина, м 200 20
Площадь прорывоопасного участка Р, м2 4000
Периметр прорывоопасного участка Р, м 440
Пористость пород п 0,4
Сопротивление сдвигу пород водоупора т, т/м2 10
Плотность воды ув, т/м3 1
Плотность частиц породы увп, т/м3 2,66
Напор на слабопроницаемый пласт Н переменная величина
Мощность относительного водоупора т переменная величина
Рис. 3. Схема учета влияния подземных вод на устойчивость открытых горных выработок: 1 — линия откоса; 2 — поверхность скольжения; 3 — депрессионная кривая; Р — вес элементарного блока; Т — тангенциальная составляющая веса; N. — нормальная составляющая веса; 0—0 — плоскость сравнения
ф , = у в (Н - у,)
а
сов а
(2)
где И. — напор на потенциальной поверхности скольжения в пределах элементарного блока /; а. — угол наклона потенциальной поверхности скольжения в пределах блока шириной а.; у. — ордината кривой скольжения пределах блока.
Коэффициент запаса устойчивости устанавливается из выражения:
X >,-Iр,) ф, +Щ1, 1 ът
(3)
где О. — равнодействующая сил гидродинамического давления и гидростатического взвешивания:
О. = у И . I,
(4)
где Иж| — высота столба воды над серединой основания блока; N. — нормальная составляющая веса:
N. = Р. сова., (5)
Т — тангенциальная составляющая веса:
Т = Рвта,
(6)
где Р. — масса /-го блока вместе с заключенной в нем водой.
На рис. 4 представлен график зависимости величины п от величины
И/И0'
где п — коэффициент запаса устойчивости откосов котлована, И — высота
' w
воды, И0 — высота откоса.
Расчет произведен исходя из наличия двух типов грунтов в геологическом разрезе откоса котлована. Исходные данные: 1-ый тип:
плотность грунта при природной влажности у = 2 кн/м3;
угол внутреннего трения при природной влажности грунта ф = 24°;
удельное сцепление при природной влажности грунта с = 3 кПа.
Рис. 4. График зависимости коэффициента запаса устойчивости откосов котлованов от величины НуИ0 Все необходимые расчеты для построения графика произведены при помощи программного обеспечения «GeoStab». Расчет коэффициента запаса устойчивости выполнялся по методу алгебраического суммирования
2-ой тип:
плотность грунта при природной влажности у = 2,2 кн/м3;
угол внутреннего трения при природной влажности грунта ф = 35°;
удельное сцепление при природной влажности грунта с = 4 кПа.
1. Высота откоса: 10,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 2,00 м
2. Высота откоса: 10,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 4,00 м
3. Высота откоса: 10,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 6,00 м
4. Высота откоса: 10,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 8,00 м
5. Высота откоса: 15,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 3,00 м
6. Высота откоса: 15,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 6,00 м
7. Высота откоса: 15,00 м; угол отко-
са 40°; высота воды: 9,00 м
8. Высота откоса: 15,00 м; угол отко-
са: 40°; высота воды: 12,00 м.
Вывод
Исходя из первого построенного графика зависимости величины ткрит относительного водоупора от величины напора на слабопроницаемый пласт для двух котлованов с разной площадью проры-
воопасного участка (рис. 2), мы можем сделать вывод, что величина ткрит и величина напора находятся в прямой зависимости.
При увеличении величины напора мощность относительного водоупора должна соответствовать той величине, которая больше критической мощности, чтобы избежать прорыва воды в котлован. Соответственно, чем больше площадь прорывоопасного участка, тем больше величина ткрит для одной величины напора.
Что касается второго графика (рис. 4), то мы видим, что чем больше высота откоса котлована, тем меньше коэффициент запаса устойчивости.
Подводя итоги, хочется отметить, что только наличие достаточного объема инженерно-геологических изысканий поможет избежать ошибок, не допустить удорожания строительства и сделать его экономически рентабельным.
Необходимо располагать всеми данными о геологическом разрезе, гидрогеологических условиях (водоносных горизонтах и гидродинамических параметрах слагающих их пород с учетом сезонных колебаний), а также физико-механических свойствах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Российское общество по внедрению бестраншейных технологий. Мировой опыт применения бестраншейных технологий и их использование в России [Электронный ресурс] / Российское общество по внедрению бестраншейных технологий, 2013. — Режим доступа: http://www.robt.rU/pages/6/ (дата обращения 20.03.2017).
2. СТО НОСТРОЙ 2.27.17-2011. Прокладка подземных инженерных коммуникаций методом горизонтального направленного бурения. — М.: Изд-во «БСТ», 2012.
3. https://stroi.mos.ru/metro/kak-stroyat-metro?from=cl
4. http://www.metro.ru/library/stroitelstvo_metropolitenov/531/
5. Гальперин А. М., Зайцев В. С., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1989. — 383 с.: ил.
6. Гальперин А. М. Геомеханика открытых горных работ: Учебник для вузов. — М.: Изд-во МГГУ, 2003. — 473 с.
7. Биктимирова К.А. Инженерно-геологическое обеспечение горизонтально-направленного бурения при строительстве различных подземных коммуникаций в условиях мегаполисов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 12. — С. 222—224.
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Биктимирова Ксения Анатольевна — аспирант, НИТУ «МИСиС»,
инженер-планировщик, ООО «МРТС Морские проекты», е-таИ: квета [email protected].
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 196-203.
UDC 622.271.333
K.A. Biktimirova
WATERED ROCK MASS QUALITY ASSESSMENT IN SUBWAY CONSTRUCTION BY OPEN PIT METHOD AND IN TRENCHLESS LAYING OF UNDERGROUND PIPELINES
The scope of the discussion embraces potential problems in subway construction using the open pit method and in trenchless laying of underground pipelines, namely, in horizontal directional drilling. The issues of water inrushes in an excavation are analyzed, and slope stability in pits is assessed. The calculations and the comprehensive analysis reveal relationships between a confining bed thickness and pressure on weakly permeable bed for different area pits as well as dependences between the safety factor, slope height and the height of water in the pit.
Key words: groundwater, relative confining bed, inrush-hazardous area, pressure head, safety factor, slope height.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-196-203
AUTHOR
Biktimirova K.A., Graduate Student,
National University of Science and Technology «MISiS»,
119049, Moscow, Russia,
Planning Engineer, MRTS Sea Projects Ltd., Moscow, Russia, e-mail: [email protected].
REFERENCES
1. Rossiyskoe obshchestvo po vnedreniyu bestransheynykh tekhnologiy. Mirovoy opyt primeneniya bestransheynykh tekhnologiy i ikh ispol'zovanie v Rossii, 2013, available at: http://www.robt.ru/pag-es/6/ (accessed 20.03.2017).
2. Prokladka podzemnykh inzhenernykh kommunikatsiy metodom gorizontal'nogo napravlennogo bureniya. STO NOSTROY2.27.17-2011 (Laying underground utilities by the method of horizontal directional drilling. STO NOSTROI 2.27.17-2011), Moscow, Izd-vo «BST», 2012.
3. https://stroi.mos.ru/metro/kak-stroyat-metro?from=cl
4. http://www.metro.ru/library/stroitelstvo_metropolitenov/531/
5. Gal'perin A. M., Zaytsev V. S., Norvatov Yu. A. Gidrogeologiya i inzhenernaya geologiya: Uchebnik dlya vuzov (Hydrogeology and geologic engineering: Textbook for high schools), Moscow, Nedra, 1989, 383 p.
6. Gal'perin A. M. Geomekhanika otkrytykh gornykh rabot: Uchebnik dlya vuzov (Geomechanics of open pit mining: Textbook for high schools), Moscow, Izd-vo MGGU, 2003, 473 p.
7. Biktimirova K. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 12, pp. 222—224.
