Предотвращение сдвижений дневной поверхности при проходке тоннеля большого диаметра Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622:53 А.М. Павленко

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ СДВИЖЕНИЙ ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЯ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Семинар № 3

ууроходка тоннелей большого

.1 А. диаметра в сложных инженерногеологических условиях сталкивается с рядом проблем, а именно сохранение целостности грунтового массива и обеспечение минимальных осадок дневной поверхности на участке выполнения работ.

Рекомендации по технологическому проектированию тоннелей и их влияние на поверхностные сооружения должны учитывать и иметь точные данные о том, в какой степени силы давления передаются на фундаменты вышележащего здания и сооружения над тоннелем. Поэтому в расчеты по технологическому проектированию, связанные с сдвижением земной поверхности вводят законы механики грунтов, параметры подрабатываемого сооружения и учитываются влияния сил давления этого сооружения на поверхность, а строящийся тоннель, рассматривать как объект, внедренный в породный массив инородным предметом.

Геотехническая направленность поставленной цели обеспечивает решение задач подземного строительства для снижения смещений дневной поверхности. Однако проектирование подземных сооружений для условий сложившейся городской застройки и силу ряда факторов является одной из наиболее трудных задач геотехники. Тем не менее, это не снижает общности поставленной проблемы при сооружении тоннеля.

Изучение смещений дневной поверхности в последнее время при сооружении тоннелей вышло на передний план исследований в строительстве подземных сооружений в условиях мегаполиса.

Реакция дневной поверхности на сооружение тоннелей, возникающая при его сооружении имеет важное значение для изучения состояния грунтового массива.

В работе [1] приведены результаты исследования деформационных и прочностных свойств горных пород в результате эксперимента по одноосному сжатию породных образцов, которые с определенной погрешностью дают представления о механических свойствах грунтов, в которых сооружается тоннель.

У становление законов смещения дневной поверхности при проходке тоннеля позволяет дать объективную оценку характера и степени деформирования в слоистых породах, а для этого необходимо выполнить детальные геологические исследования, изучить прочность, способность к деформациям. Кроме того, необходимо учитывать развитие в мегаполисе негативных геологических процессов, таких как образование на участке сооружения тоннелей подтоплений, размыв грунтов, суффозий, карст, эрозии грунтов, различных динамических

процессов. Все это способствует дополнительному увеличению смещений дневной поверхности.

Рис. 1. Осадка поверхности при сооружении тоннеля в зависимости от расстояния до свода тоннеля

В работе [2] дано теоретическое обоснование закона смещения и распределения давления, а также установлена его связь с степенью разгрузки подрабатываемого массива. Исследования показали, что регулирование скорости проходки тоннеля позволит снизить осадку дневной поверхности. Эта осадка не превышает нормативные значения осадки, что не приведет к образованию трещин и заколов в конструкции зданий и сооружений, обеспечит общую конструктивную устойчивость сооружения над тоннелем.

Учитывая, что наблюдения за осадками исторических зданий вблизи сооружаемых тоннелей показали важность разработки мероприятий и устройств для защиты их и представляют интерес для исследования. На рис. 1 приведены параметры осадки от земной поверхности до свода тоннеля на участке Сереб-рянноборского тоннеля. Установлено, что на участке сооружения тоннеля при

расстоянии до свода тоннеля 0 - 15 м наблюдают снижение осадки с 43 мм до 15 мм, т.е. в 3 раза, в то время как на участке сооружения при расстоянии от 15 м до 45 м до свода тоннеля этот параметр снижается менее интенсивно и составляет 3-15 мм.

Нами установлено, что кривая осадки дневной поверхности от расстояния до шелыги свода тоннеля может быть записана в виде следующей экспоненциальной зависимости:

_ -0,07891

ц = 42,547 е (1)

R2 = 0,427; критический R2 = (0,99) = =0,16,

где п - осадка поверхности в зависимости от расстояния до шелыги свода тоннеля, мм; I - расстояние от дневной поверхности до свода тоннеля.

Осадка поверхности породного массива выражается в плавном прогибе, обусловленном пластическим состоянием массива, и имеет следующий графический вид, (рис. 1).

Из рис. 1 ясно, что осадка получается более пологой на расстоянии до шелыги свода 25-45 м потому, что прогиб поверхности будет менее значительным в связи отсутствием поверхностей скольжения в породном массиве, незначительным вторичным оседанием поверхности и наличия большого уплотнения вышележащих пород.

При проектировании тоннелей в крупных мегаполисах необходимо учитывать, что помимо нагрузок, обусловленных собственным весом пород, гидростатическим давлением в пласте, тоннель также испытывают воздействия вышележащих зданий и сооружений.

При расположении рядом ранее сооруженных коллекторов их влияние также имеет значение, т.к. появляются на участке сооружения тоннеля силы сжатия-растяжения (горизонтальные) и сдвиг-смещение (вертикальные), имеющие разные скорости.

Поскольку положение ранее сооруженного коллектора на участке тоннеля заранее принципиально неизвестно, то учесть границы раздела пород с разными механическими свойствами, которые могут действовать на обделку в любых сочетаниях и направлениях, трудно. Это в свою очередь создает определенные трудности в строительстве.

Глубина заложения тоннелей влияет при проходке на величину проседания грунтов. При проходке тоннеля в условиях плотной городской застройки при небольшой глубине заложения, а также при больших объемах выработанного пространства, формируется процесс сдвижения и оседания горных пород над тоннелем. В этом случае происходит опускание и проседание грунта над тоннелем в выработанное пространство пройденного сооружения. Это сущест-

венно осложняет эксплуатацию зданий и сооружений расположенных на поверхности над тоннелем.

Общеизвестно, что с увеличением глубины залегания тоннеля происходит уменьшение проседания пород и зоны мульды оседания.

Следует учитывать, что величины максимальных деформаций земной поверхности (наклон) при возведении нескольких тоннелей (или уже ранее сооруженного тоннеля) могут превышать суммарные деформации от строительства одного тоннеля. Суммарная мульда сдвижения, хотя и увеличивает оседания земной поверхности, но в ряде случаев делает наклоны более пологими и уменьшает кривизну на отдельных участках. При сооружении тоннелей глубокого заложения развитие мульды сдвижения земной поверхности достигает больших площадей и захватывает целые микрорайоны застройки.

Тем не менее, разработка способов снижения сдвижений породного массива с применением защитного полимерного каркаса имеет важное значение.

Таким способом, предотвращение сдвижения грунтового массива путем закрепления горных пород вокруг тоннеля, можно достичь за счет бурения скважин по контуру выработки и нагнетания в скважину твердеющей суспензии. При этом бурение скважин осуществляют в направлении движущегося тоннеля под заданным углом к его оси. Нагнетая инъекционный быстротвер-деющий раствор, сме-шивают с разрушенной породой, который затвердевая, предотвращает деформационные смещения в массиве, что существенно для снижения деформации дневной поверхности на участке сооружения тоннеля, (рис. 2).

Способ предотвращения ^движения породниги маесива путх:м применения опережающего защитного іруитово-погшмсриаго к;іркаса.

ООО ООО

, * (s/'s/'s - ,Л ,

■ , і , , . : • н« ' •• ■ J ■ і ■ : ■ ■ . * -7 ■ . ' ■ -і ■ ' ■■ ■- ' . Л ■ Г ■ л ■ :t * > * дль <г і. \ лГ j .и;рнні;шіін ■ ' Л-' t Д іі " ■ * ■v j ' л; ■ , 'т '■ ? і \ ■ ^ * * * . 4 . --1. + - j ■ *, . :—_——1_ V . ■ \ .й ■ 0 л. ■. d . ^ ■ . ■ ХиНТ^П І^ННҐ^< ^ ■ ■' Т ■■ ■ ■ ‘ ■■ i,v-' ^ „ і- ■ J . ■ -і■■ л . ■ •• Ниі-»!^и і^йи;ч; і ■ Vi J ' *jV '' V 1 ; л і *■' *.■ ' ■ і.'*/' .. ■ '■j- ■ \ ' Т-£ : О ' ■ *

ООО ООО

•х/////х///у /А ■ •

■ Л “ . Сп™ ■ >' ■ ^ни" ■■■ .■ ■ .-А т' . ■ ■ ■■ v ,V v ' * ‘ ч ■ ^ ^ ' -3 .

Рис. 2. Способ применения опережающего защитного каркаса при сооружении тоннеля

Следовательно, одной из важных за- тоннеля может служить применение задач предотвращения сдвижения дневной щитного мероприятия в виде создания

поверхности на участке сооружения опережающего полимерного каркаса.

-------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баклашов И.В. Деформирование и 2. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н.

разрушение породных массивов. - М.: Недра, - М.: Изд-во МГГУ, Геомеханика, 2005. ЕШ

1988.

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

Павленко А.М. - аспирант, кафедра ФГПиП, Московский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.