CC BY
57
- © Е.М. Волохов, С.Ю. Новоженин,
В.И. Киреева, 2015
УДК 622.83
Е.М. Волохов, С.Ю. Новоженин, В.И. Киреева
ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ НАТУРНЫХ МАРКШЕЙДЕРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ПРИМЕНЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Освещены возможности современных технологий подземного строительства и охарактеризованы геомеханические процессы в подрабатываемых массивах при их применении. Отмечены особенности современных средств деформационного мониторинга и проблемы, связанные с их применением. Показано, что арсенал современных технологических средств и средств контроля за деформациями позволяет реализовать задачу управления геомеханическим состоянием породного массива. Проанализированы ошибки, связанные с применением в настоящее время средств геотехнического мониторинга при строительстве объектов метрополитена Петербурга. На примере жилого здания по ул. Бухарестская 156 к. 1 лит. А, подрабатываемого при строительстве двупутного перегонного тоннеля метрополитена между станциями «Южная» и «Проспект Славы» метрополитена Санкт-Петербурга, рассмотрены проблемы применения автоматизированного мониторинга, сформулированы основные рекомендации по работе с роботизированными тахеометрами. Проанализированы результаты мониторинга самого здания и массива над осью тоннеля. Ключевые слова: подземное строительство, тоннели, подработка зданий, зона влияния, моделирование, геотехнический мониторинг, роботизированный тахеометр.
Как известно, развитие современных мегаполисов невозможно без освоения подземного пространства. Помимо относительно малых объектов, проектировщикам и строителям приходится иметь дело с достаточно крупными объектами подземной инфраструктуры. Учитывая условия уже сложившейся на наземной поверхности, проблемы освоения подземного пространства должны решаться с учетом минимизации влияния горных работ. Задача охраны зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ при строительстве подземных сооружений помимо прогнозной оценки сдвижений и разработки мер охраны, решается на основе использования текущих данных деформационного мониторинга.
Характеризуя современные технологии подземного строительства, необходимо отметить ряд существенных особенностей, определяющих возможности этих технологий и особенности геомеханических процессов в подрабатываемых массивах при их применении:
• широкое применение методов воздействия на породы для изменения их свойств с целью повышения их сопротивляемости деформациям и снижения эффектом связанных с нарушением гирогеологических режимов водоносных горизонтов (наиболее востребованной на сегодняшний день является технология струйной цементации Jet grounding);
• применение не только пассивных, но и специальных активных средств сдерживания развития дефор-
мационных процессов, таких как при-груз забоя при использовании ТПМК, нагнетания растворов в заобделочное пространство;
• использование систем специального активного воздействия на массив прямо во время ведения горных работ и развития деформаций с целью компенсации этих деформаций практически в режиме реального времени (подобные системы компенсационного нагнетания уже применялись при строительстве выхода на станции «Адмиралтейская»).
Говоря об особенностях современных средств деформационного мониторинга необходимо отметить следующее:
• помимо геодезических систем сейчас в распоряжении исследователя имеется множество средств за контролем породного массива на базе скважинных систем и систем контроля деформационного состояния конструктивных элементов зданий и сооружений, контроля раскрытия существующих трещин и т.п.;
• большинство систем позволяют обеспечить автоматизированный режим наблюдений (без участия человека) и выбирать весьма малые интервалы между сериями наблюдений (практически обеспечивая наблюдения в режиме реального времени);
• разные системы могут работать одновременно в едином комплексе и обеспечивать прямую связь с системами управления технологическими параметрами горных работ и активного воздействия на массив.
Как видно арсенал современных технологических средств и средств контроля за деформациями позволяет говорить о реализации задач управления геомеханическим состоянием породного массива для обеспечения охраны подрабатываемых объектов при подземном строительстве, причем такое управление может осуществляться
в режиме реального времени и иногда даже без участия человека.
Однако, как показывает практика, раскрыть потенциал указанных средств управления геомеханическим состоянием массива при строительстве подземных сооружений пока не удается из-за ряда объективных и субъективных факторов, среди которых можно отметить и несовершенство нормативной базы (особенно в сфере натурных наблюдений), некомпетентность специалистов занимающихся этими вопросами, разрозненность сил и средств при участии в подземном строительстве большого количества организаций (даже на одном объекте), прямое лоббирование своих производственных и коммерческих интересов участниками такого строительства.
Анализ, применяемых в настоящее время средств геотехнического мониторинга при строительстве объектов метрополитена Петербурга, показал, что даже при попытках организации комплексных наблюдательных станций (когда задействованы и геодезические системы, и системы скважинного мониторинга деформаций породного массива, и системы контроля деформаций конструктивных элементов зданий) задачи объективной и своевременной оценки вредного влияния не решаются из-за ошибок допущенных еще на этапе проектирования наблюдательных станций. К наиболее важным, из выявленных нами при таком анализе, можно отнести следующие:
• необоснованность выбора критериев оценки вредного влияния (когда зачастую в качестве основного критерия используются лишь оседания, которые не позволяют выявить повреждения в зданиях и сооружениях);
• некорректность выбора периодичности наблюдений (когда активная фаза сдвижений, при быстром движении забоя, может пройти между циклами наблюдений) или сроков
наблюдений (когда измерения прекращаются сразу после завершения горных работ, т.е. еще до окончания деформационных процессов, которые могут активно развиваться из-за постепенного перераспределения напряжения и деформаций и реологических эффектов);
• отсутствие средств геометрической привязки узла контроля смещений скважинных реперов в устье скважины (когда автоматизированная системы регистрирует лишь относительные смещения, относительно устья, которое также активно смещается);
• использование только скважин-ных датчиков фиксирующих вертикальные сдвижения над тоннелями, без контроля горизонтальных сдвижений в массиве сбоку от тоннелей (где в основном развиваются горизонтальные сдвижения и деформации).
Поэтому задачи разработки методик натурных наблюдений, требований к средствам измерений, обоснования базовых критериев оценки вредного влияния и обеспечения научного сопровождения на конкретных объектах в современных условиях подземного строительства следует признать весьма актуальными.
Одним из наиболее показательных примеров интенсивного освоения подземного пространства в Санкт-Петербурге является строительство южного участка Приморско-Фрунзенской линии метрополитена с тремя новыми станциями и новым духпутным перегонным тоннелем.
Данная проходка осуществляется тоннелепроходческим механизированным комплексом производства Herrenknecht AG в четвертичной толще пород. Диаметр тоннеля составляет 10,4 м.
Отсутствие опыта строительства такого вида тоннелей в условиях Санкт-Петербурга не могло обеспечить достоверный прогноз и адекватную
оценку опасности для зданий и сооружений, попадающих в зону влияния.
В связи c этим было принято решение провести автоматизированный мониторинг деформаций первого подрабатываемого здания по ул. Бухарестская 156 к.1.
В качестве исходных данных для создания проекта и выбора системы мониторинга в соответствии с [1] были представлены:
• конструктивные особенности объекта мониторинга;
• инженерно-геологические условия оснований;
• расчетные величины деформаций основания и конструкций;
• категория технического состояния и данные осмотра.
Данное здание представляет собой 10-этажный жилой панельный дом. Он был построен по типовому проекту серии 600.11 в 2006 г. Имеет сложную конфигурацию в плане. По результатам освидетельствования ЗАО «Глав-ПетербургСтрой», отнесено ко II категории технического состояния.
Предрасчет сдвижений и деформаций грунтов в основании здания осуществлялся ВНИИ «Галургия» и Горным университетом. Полученные данные варьировались от первых мм до нескольких см в зависимости от степени заполнения заобделочного пространства.
Проект мониторинга на базе роботизированного тахеометра включал в себя:
• обоснование метода мониторинга;
• выбор места установки и конструкции станции;
• разработку схемы деформационной и опорной сети;
• расчет точности измерения сдвижений;
• расчет частоты и сроков проведения наблюдений.
В данном проекте смещения здания фиксировались с помощью робо-
Рис. 1. Схема организации наблюдений
тизированного тахеометра ТптЬ^8. Данный прибор позволяет получать данные о сдвижениях и деформациях в автоматическом режиме по трем заданным направлениям.
Применение такого вида мониторинга предполагает стационарную установку прибора на все время наблюдения в
Рис. 2. Станция мониторинга на ул. Бухарестская 156 к. 1
месте с прямой видимостью на деформационные и опорные отражатели (рис. 1). В данном случае прибор был установлен на жестко закрепленном забетонированном столбе в 70 м от дома (рис. 2).
Так как прибор был установлен в зоне подработки и было необходимо переопределять его координаты перед каждым циклом измерений, опорные призмы были размещены на близлежащих зданиях в форме максимально приближенной к окружности для улучшения качества линейно-угловой засечки.
Деформационные отражатели были установлены на двух уровнях для определения крена здания в соответствии с рекомендациями нормативных документов [2], [3]. Общее количество установленных деформационных призм составило 14 штук.
Для получения оперативной и уточняющей информации о характере деформирования массива до начала подработки здания, были дополнительно установлены два отражателя на поверхности над осью тоннеля в зоне перед исследуемым зданием (эИ и э12).
Частота и необходимая точность измерений были рассчитаны исходя из скорости проходки и величины
спрогнозированных оседаний массива по методике, изложенной в [4].
Не смотря на невысокие значения сдвижений, зарегистрированных на земной поверхности, и малые значения деформаций конструктивных элементов исследуемого здания, автоматизированный мониторинг позволил обобщить полученные результаты, выявить новые закономерности деформаций горных пород и сформулировать рекомендации для проведения подобного мониторинга на объектах подземного строительства.
К основным результатам деформационного мониторинга с точки зрения анализа развития деформационных процессов можно отнести следующее:
• использование режима перенагнетания в заобделочное пространство, рекомендованное разработчиками технологического регламента, приводило к возникновению неравномерных положительных вертикальных сдвижений - пучений на земной поверхности и деформаций растяжения;
• процесс развития пучений характеризуется существенной неравномерностью и скачкообразным проявлением деформаций поверхности примерно над зоной хвостовой части ТПМК;
• после прохода ТПМК и удаление на значительное расстояние на поверхности проявляется частичная компенсация деформаций, характеризующаяся постепенным развитием вторичных оседаний над осью тоннеля, достигших к ноябрю 2014 г. 4-6 мм;
• при проходе ТПМК в непосредственной близости от здания зарегистрированы незначительные положительные вертикальные смещения точек, достигающие величин в 2-4 мм;
• относительное сравнение статистически достоверных горизонтальных смещений точек на здании не позволило выявить значимых кренов стен в соответствии с [5], [6].
К важным результатам мониторинга в части характеристики возможностей примененной автоматизированной системы мониторинга деформаций можно отнести следующее:
• после обоснования выбора места расположения роботизированных станций, геометрии сети опорных и рабочих марок необходимо организовать предварительные серии наблюдений для апостериорной оценки точности и выявления влияния на измерения внешних факторов, часто заранее неизвестных;
• система деформационного мониторинга на базе РЭТ без использования специальных устройств плохо подходит для выявления сосредоточенных деформаций или наблюдения за существующими трещинами и деформационными швами;
• при организации периодических наблюдений необходимо обосновывать меньшие интервалы между сериями для обеспечения избыточности измерений, а также предусматривать использование процедур отбраковки измерений с выявленными искажениями из-за влияния плохо предсказуемых внешних факторов, таких например как вибрация;
• при расположении станции РЭТ в зоне возможных деформаций необходимо использовать независимую систему контроля опорных точек с возможностью корректировки положения станции на основе строгих способов;
• помимо штатных результатов наблюдений (т.е. смещений или их скорости, которые обычно закладываются производителями), система должна позволять оперативно оценивать деформации конструкций (как первых производных от смещений), которые и являются критериями оценки вредного влияния.
Как видно на примере анализа применения автоматизированной геодезической системы мониторинга де-
формаций, даже здесь, в казалось бы хорошо отработанной за последние годы сфере, имеется ряд принципиальных вопросов требующих своего решения при организации охраны зданий и сооружений. Лишь только часть из этих вопросов при проведении этих исследований была решена, что нашло отражение в указанных рекомендациях. Для упомянутых выше скважинных систем и систем контроля деформаций конструкций, нами также были сформулированы рекомендации, в основу которых также лег анализ опыта их применения на объектах Санкт-Петербургского метрополитена. Логическим итогом подобных работ, по нашему мнению, должна стать разработка инструкции, регламентирующей все основные вопросы организации натурных наблюдений при строительстве подземных сооружений в Российской Федерации. Отсутствие такой инструкции не позволяет обеспечить задачи охраны зданий и сооружений от вредного влияния горных работ и создает
условия для привлечения в эту сферу малокомпетентных специалистов, лоббирования своих производственных и коммерческих интересов организациями связанными с подземным строительством и фирм занимающимися внедрением систем мониторинга в смежных отраслях.
В заключении следует отметить, что именно непосредственный опыт применения автоматизированной геодезической системы мониторинга деформаций позволил нам выйти на ряд важных обобщений, не все из которых были очевидны на стадии теоретического обоснования этих наблюдений. Поэтому решение проблем организации натурных маркшейдерских исследований и геотехнического мониторинга при применении современных технологий строительства подземных сооружений должно по нашему мнению опираться не только на теоретическое обоснование, но на доскональный анализ опыта практического применения современных мониторинговых систем.
1. ГОСТ 24846-81 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений: введ. 01.01.82. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 26 с.
2. Инструкция по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей: ВСН 160-69 : введ. 01.04.70. - М.: Минтрансстрой, 1970. - 60 с.
3. Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений: РД 07-16697: утв. постановлением Госгортехнадзора
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
России от 17.09.97 № 29 : ввод. в действие 17.09.97. - М., 2002. - 42 с.
4. Зайцев А.К., Марфенко С.В., Михе-лев Д.Ш. - Геодезические методы исследования деформаций сооружений - М.: Недра, 1991. - 272 с.
5. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге : ТСН 50302-2004 : введ. 05.08.04. - СПб. - 2004. -66 с.
6. Основания зданий и сооружений: СП 22.13330.2011: введ. 20.05.2011. - М., 2011. - 161 с. [¡233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Волохов Евгений Михайлович - кандидат технических наук, доцент, e-mail: volohov@spmi.ru,
Новоженин Сергей Юрьевич - ассистент кафедры, e-mail: snovx@mail.ru, Киреева Вероника Игоревна - аспирант, e-mail: chacter@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 622.83
PROBLEMS OF FIELD SURVEYING ORGANIZATION
AND GEOTECHNICAL MONITORING IN THE APPLICATION OF UNDERGROUND CONSTRUCTION MODERN TECHNOLOGIES
Volohov E.M.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: volohov@spmi.ru,
Novozhenin S.Yu.1, Assistant of Chair, e-mail: snovx@mail.ru, Kireeva V.I.1, Graduate Student, e-mail: chacter@mail.ru, 1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.
Highlighted the potential of underground construction modern technologies and characterized geome-chanical processes in soil mass which is undermined during their application. The features of deformation monitoring modern instruments and the problems associated with their use are discussed there. These problems are related to imperfections of specification documents, incompetence of experts dealing with these issues. Analyzed the errors associated with the use of geotechnical monitoring devices during construction of St. Petersburg Metro. The problems of the automated monitoring application are considered on the example of undermined residential building on the street. Bucharest 156/1 during the construction of underground tunnels between stations « Yjnaya « and «Avenue of Glory» Metro St. Petersburg. The problems of the automated monitoring application and the basic guidelines for working with robotic tacheometers are presented here. The results of the building and the massif monitoring are analysed there too.
Key words: civil engineering, tunnels, buildings undermining, area of influence, modeling, geotechnical monitoring, robotic total stations.
REFERENCES
1. Grunty. Metody izmereniya deformatsii osnovanii zdanii i sooruzhenii. GOST 24846-81 (Soils. Methods for measuring the deformation of the base of buildings and structures. State Standart 24846-81), Moscow, Izd-vo standartov, 1986, 26 p.
2. Instruktsiya po geodezicheskim i marksheiderskim rabotam pri stroitel'stve transportnykh tonnelei: VSN 160-69 (Instructions for geodetic and surveying work in the construction of transport tunnels: VSN 16069), Moscow, Mintransstroi, 1970, 60 p.
3. Instruktsiya po nablyudeniyam za sdvizheniyami zemnoi poverkhnosti i raspolozhennymi na nei ob"ektami pri stroitel'stve v Moskve podzemnykh sooruzhenii: RD 07-166-97. (Instruction on observations of displacement of the Earth's surface and the objects located on it during the construction of underground structures in Moscow: RD 07-166-97), Moscow, 2002, 42 p.
4. Zaitsev A.K., Marfenko S.V., Mikhelev D.Sh. Geodezicheskie metody issledovaniya deformatsii sooruzhenii (Geodesic methods of deformation structures research), Moscow, Nedra, 1991, 272 p.
5. Proektirovanie fundamentov zdanii i sooruzhenii v Sankt-Peterburge. TSN 50-302-2004 (Design of the buildings foundations and structures in St. Petersburg: TSN 50-302-2004), Saint-Petersburg, 2004, 66 p.
6. Osnovaniya zdanii i sooruzhenii: SP 22.13330.2011 (Foundations of buildings and structures: SP 22.13330.2011), Moscow, 2011, 161 p.
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ РАЗВЕДКЕ И РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, И РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ
(№ 1048/07-15 от 23.04.15, 7 стр.)
Завацки С., Куликов В.В., e-mail: mechanica.mgri@yandex.ru, Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ).
THE FEEDERS HYDRAULIC DRILLING RIGS USED IN THE EXPLORATION AND DEVELOPMENT OF MINERAL DEPOSITS, AND REGULATION OF THE PARAMETERS OF DRILLING MODE
(No. 1048/07-15 from 23.04.15, page 7)
Zawacki S., Kulikov V.V., e-mail: mechanica.mgri@yandex.ru,
Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidzе (MGRI-RSGPU), Moscow, Russia.
_ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
