Проблемы учета геологической среды при строительстве Алматинского метро Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© М.Т. Укшсбасв, С.М. Рахимбсков, 2007

УДК 622.27.001.2

М.Т. Укшебаев, С.М. Рахимбеков

ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АЛМАТИНСКОГО МЕТРО

Семинар № 3

Процесс сдвижения земной поверхности при подземных разработках неминуем, так как любое подземное строительство, внедряясь в природное пространство, нарушает ее равновесие. Степень влияния подземного строительства на состояние многочисленных зданий, сооружений и подземных коммуникаций зависит от самых различных факторов (тип грунта, способ строительства, размер подземных выработок и т.д.), а сами деформации многочисленны по типам, характеру проявления и последствиям. В период производства горнопроходческих работ неизбежна реакция геологической среды в разных формах: горное давление, процессы образования мульды сдвижения и депрессии, временные геодинамические движения и др. Обычно в геодинамике рассматриваются динамика землетрясений и так называемые трендовые подвижки по тектоническим нарушениям. Однако исследования последнего периода в работах Ержано-ва Ж.С., Н.Н. Фотиевой, Ярового Ю.И., Половова Б.Д., Беликова В.Е., Сашурина А. Д. и др., вызванные серьезными подвижками в строительной сфере, потребовали не ограничиваться поверхностными знаниями о геологической среде и в особенности на территории города, местах плотной застройки. Так исследования, например ИГД УрО РАН позволили выявить новый класс современных

геодинамических движений, концентрирующихся также в разломных зонах различных рангов. Таким образом, при освоении подземного пространства необходимо руководствоваться современной концепцией многопараметрической системы «строящееся подземное сооружение -массив -соседние сооружения -строительные технологии», учитывающей специфику непрерывного движения геологической среды в разломных зонах. Это позволит при создании и эксплуатации подземных сооружений нейтрализовать негативное влияние этого фактора путем выбора площади с допустимым уровнем деформации, либо созданием устойчивых конструкций, рассчитанных на их воздействие.

В условиях современного строительного бума, интенсивного освоения подземного пространства это особенно важно и требования СНиП и других нормативных документов к изучению оснований должны их учитывать. В противном случае может иметь место угроза разрушения сооружений на межблочных тектонических структурах, систематические аварии на участках их пересечений с коммуникациями. Действительно ознакомление с геологической картой города, схемой инженерно-геологических и гидрогеологических условий на базе геологической карты, схемой сейсмического районирования указывают на наличие в городе большого

числа структурных блоков, оконтуренных магистральными тектоническими нарушениями, каждый из которых в свою очередь, разбит на структурные блоки более мелкого порядка.

Механизм воздействия трендовых и колебательных геодинамических смещений на объекты разный. Трендовый характер движений встречается довольно редко, в то время как цикличные движения более распространены. Как показывает опыт строительства метрополитенов, при расположении подземной выработки в прочных скальных грунтах влияние мульды сдвижения на поверхности практически не ощущается. При пересечении тоннелями карманов выветривания и разрывных зон возможно образование вокруг выработок областей предельного равновесия, развитие на поверхности в мульде сдвижения и депрессии значительных по абсолютной величине осадок. В наиболее неблагоприятных условиях оказываются здания и сооружения, расположенные вблизи контакта. Как показал анализ имеющегося опыта освоения подземного пространства в других городах, большая часть всех деформаций зданий и сооружений, произошедших вблизи перегонных тоннелей и станций метрополитена, вызваны образованием мульды депрессии при строительном водопо-нижении и водоотливе из горных выработок. Процессы сдвижения горных пород наиболее ощутимы при проходке тоннелем контактных зон скальных и дисперсных пород. Воздействия подземных выработок носят силовой характер и эти нагрузки тем больше, чем больше интенсивность деформации дневной поверхности. Причем наиболее опасными являются не столько абсолютные величины осадок, сколько их относительная неравномерность, т.е. крен зданий. Для предпроектной стадии известны применение теории пла-

нирования экспериментов и программные решения численных расчетов для определения осадок поверхности над туннелем, а также параметров мульды сдвижения.

В случае производства буровзрывных работ на большой глубине динамические воздействия на конструкции зданий служат отрицательным дополнительным фактором влияния.

Участки с линейной и сложной структурой коры выветривания наиболее опасны при формировании мульды сдвижения и депрессии, так как основанием фундаментов противоположных углов здания могут служить, например, скала и суглинок. В этом случае даже при небольших абсолютных величинах осадок фундаментов здания возможны недопустимые величины относительных перемещений, что приводит к появлению трещин в стенах и т. п. Наибольшие деформации земной поверхности наблюдались именно вблизи мест пересечения тоннелями малых рек, протекающих, как правило, в местах разрывных нарушений в земной коре.

Среди главных мероприятий, исключающих аварийные ситуации, определяющими являются:

- проведение высококачественных инженерно-геологических изысканий;

- гидрогеомеханический анализ и оценка состояния среды с учетом всех природных характеристик горных пород для исключения повышенного геомеханического риска, т.е. возникновения аварий, причем по оценке геомеханического риска может быть использован вероятностный подход с применением имитационного моделирования нагрузок на обделку тоннеля.

- формирование безошибочных расчетных схем, конструкций, материалов для подземных сооружений.

- проведение современных методов диагностики при оценке технического состояния объектов, авторский надзор с корректировкой документации на проведение работ по обеспечению их сохранности.

По степени сейсмоопасности территория г. Алматы является сейс-моопасным участком земной поверхности, где возможны землетрясения и сейсмические воздействия силой 6—7 и более 7 баллов. Это обстоятельство обязательно должно учитываться при проектировании и строительстве объектов освоения подземного пространства в соответствии с требованиями СНиП П-7-81*, с целью разработки и совершенствования методов расчета их сейсмостойкости.

Как известно, вопрос об экономичности проектируемых антисейсмических мероприятий освещен лишь в отношении наземных сооружений.

Систематический сбор и анализ сведений о поведении подземных конструкций при разрушительных землетрясениях впервые проведен для изучения последствий Японского землетрясения 1923 г. в Канто.

Значительно меньше сведений о сейсмических деформациях тоннельных выработок, представляющих собой одиночные подземные сооружения мелкого и неглубокого заложения. Первые систематизированные данные о поведении тоннелей также относятся к последствиям землетрясения в Японии.

Результаты специальных опытов на перегонном тоннеле Ташкентского метрополитена, поставленных для определения динамических характеристик вибрационного нагружения обделок, приведены в работе Т.К. Абдуллаева, А.А. Ишанходжаена и В.Ю. Кима. Акселерограммы показали, что ускорения в разных точках одного и того же поперечного контура тоннеля и в раз-

личных направлениях от заданной точки существенно различаются. Приводятся значения частоты, периода колебаний и декремента затухания для обделки и грунта по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Анализ имеющихся предложений и рекомендаций по проектированию крепи подземных сооружений в сейсмически активных районах показывает, что существующие методы расчета, основанные на рассмотрении взаимодействия круговой крепи с массивом пород при действии длинной горизонтально направленной волны сжатия, не позволяют учесть многообразие воздействий, которым может подвергнуться конструкция при землетрясении. При расчете не учитываются действие сейсмических волн сдвига, возможные различные направления распространения волн по отношению к сооружению, знакоперемен-ность действующих нагрузок, касательные напряжения на контакте крепи с породой и существенная зависимость распределения нагрузок от формы поперечного сечения крепи.

Предлагается принципиально иной подход к вопросу расчета крепи подземных сооружений на сейсмические воздействия, основанный на оценке наиболее неблагоприятного напряженного состояния в каждом сечении конструкции при различных сочетаниях действия длинных сейсмических волн сжатия-растяжения и сдвига любого направления в плоскости поперечного сечения сооружения. Такая оценка, производящаяся на основании построения огибающих эпюр нормальных тангенциальных напряжений в крепи, позволяет получить усилия, соответствующие максимально возможным сжимающим и растягивающим напряжениям, как в предположении совместной работы крепи с массивом (крепь прианкерена к поро-

де или выполнена из набрызгбетона), так и в предположении отрыва крепи от породы при действии волн растяжения, что рекомендуется для расчета монолитной крепи, проектируемой с допущением образования трещин.

Такая общая постановка задач об оценке наиболее неблагоприятного напряженного состояния в каждом сечении крепи от сейсмических воздействий относится в целом не только к расчету некруговой крепи, но и к определению напряжений в окрестности одной или нескольких незакрепленных выработок, к расчету круговой крепи одного или нескольких близко расположенных параллельных сооружений и т. п.

Особо важным вопросом является выбор глубины заложения тоннелей метрополитенов. Так, исследования многих авторов указывают на то, что глубина заложения тоннелей метрополитенов подбирается с точки зрения не только необходимой их прочности и устойчивости, но и допустимой величины уровня вибраций в. зданиях и сооружениях, расположенных вблизи этих тоннелей. Собственно сейсмический аспект выделения сооружений мелкого заложения связан также с тем, что с ростом глубины заложения подобных сооружений их сейсмостойкость до некоторой глубины, по упомянутым ранее натурным данным, как бы улучшается. Такой эффект подлежит детальному исследованию. Попытки оценить сейсмическую интенсивность в зависимости от глубины заложения сооружения содержатся в работах А.3. Каца и А. Темирбекова. Отмечается, что изменение сейсмичности с глубиной достигает 0,5—1,0 балла и существенно зависит от частотного состава сейсмических сотрясений, на которые сильно влияют высокочастотные волны. Уточнение сейсмичности соору-

жений мелкого заложения в зависимости от глубины их расположения, по-видимому, играет важную роль для районов, характеризующихся малой глубиной гипоцентров землетрясений.

В других исследованиях анализ получаемых результатов приводят к выводу о влиянии глубины заложения на общее напряженное состояние вокруг выработок, который не сводится, как принято считать, к обязательному уменьшению опасности разрушения от сейсмических воздействий с ростом глубины. В случаях, когда напряжения от гравитационных сил на части периметра поперечного сечения выработки являются растягивающими, опасность разрушения от сейсмических воздействий с увеличением глубины заложения может возрастать.

Таким образом, общая характеристика сейсмического поведения транспортных тоннелей, по этим данным, и вместе с тем по сведениям о поведении гидротехнических тоннелей, сводится к следующему:

1. Тоннельные выработки под воздействием сильных землетрясений претерпевают значительные остаточные и упругие деформации, характеризуются поперечными, косыми и продольными трещинами в обделках с искажением первоначальной поперечной формы последних. Частичное обрушение наблюдается даже в крепких породах, но на узко ограниченных площадях. В тектонически не нарушенных скальных породах тоннели находятся в благоприятных условиях, хотя и здесь имеют место остаточные сейсмические явления — незначительные деформации и трещины.

2. Наибольшие остаточные деформации породных стенок и обделок тоннелей наблюдаются на участках резкого изменения литологического состава окружающих пород, крутого изменения рельефа земной

поверхности над тоннелями и горных склонов.

3. Наиболее интенсивное тре-щинообразование в элементах крепления и породной поверхности возникает на припортальных участках, охватывая широкими поперечными и наклонными полосами трещиноватости почти все поперечное сечение тоннеля.

4. Отмечается, что при прочих равных условиях крепление тоннелей страдает от землетрясения в большей степени на участках мелкого заложения.

Эти факты иллюстрируют зависимость сейсмостойкости подземных сооружений от геологического строения окрестной толщи, приуроченность разрушения выработки к местам сопряжения разнородных пород.

В целом же в теории сейсмостойкости подземных сооружений следует отметить, что все же еще не сформулирована достаточно цельная постановка задачи, не классифицированы основные задачи и особенности их решения.

Перспективным направлением является сформулированная задача оптимизации пространственного расположения систем трубопроводов и тоннелей метрополитенов в зависимости от условий и характера проявления сейсмических воздействий. Методы оптимизации целесообразны и при анализе сейсмостойкости самих конструктивных элементов сооружений — с позиции снижения величин

сейсмических нагрузок. Сейсмическая защита такого типа по существу является системой сейсмической изоляции. Задаче оптимального проектирования сейсмической защиты сооружений как адаптивных (самоприспо-сабливающихся) систем посвящена монография Я.М. Айзенберга.

Таким образом, проработка имеющихся литературных источников, анализ полученных результатов для выработки рекомендаций при строительстве Алматинского метро с целью уменьшения аварийных ситуаций на подземных сооружениях и коммуникациях показали целесообразность исследования по учету активности геологической среды как в процессе проектирования, так и строительства и эксплуатации. Деформации земной поверхности образуются в результате недоучета нарушений природного равновесия горных пород, а это вызвано в свою очередь недоучетом геомеханического состояния и гидрогеологических условий грунтового массива при проведении подземных выработок. Необходим более тщательный анализ действующих в настоящее время нормативных документов, регламентирующих вопросы подземного строительства в части учета специфических особенностей города. Надежность строительства метро можно повысить привлечением вероятностного аппарата оценок, анализируя вероятности различных рисков, составлением прогнозов с разработкой мер по их сепарации, гггга

— Коротко об авторах-------------------------------------------------------------

Укшебаев М.Т. - генеральный директор, Алматымстрокурылыс, Казахстан,

Рахимбеков С.М. - КазНТУ им. К.И. Сатпаева, Казахстан.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2006». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник.