Строительство эскалаторных тоннелей в слабых грунтах щитовым способом Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

жесткопластическом сопротивлении изгибу // Промышленное и гражданское строительство. № 8. 2008. С. 41.

2. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В. Усиление слабых грунтов в основании фундаментных плит с использованием технологии Jet-grouting // Вестник МГСУ. № 4. 2010. С. 310.

3. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. Пермь: Пресстайм, 2007. 168 с.

4. Малинин А.Г., Гладков И.Л., Малинин Д.А. Экспериментальные исследования параметров струйной технологии в различных грунтовых условиях геотехнические проблемы мегаполисов: тр междунар. конф. по геотехнике. Москва, 7-10 дек. 2010. Т 5.

A. G. Malinin, I.L. Gladkov, A.A. Zhemchugov DEFINING OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF SOIL-CONCRETE IN THE COURSE OFIN-SITU TESTING

The results of experimental research of soil-concrete strength and deformation characteristics depending on jet-grouting parameters are described. Some experimental works of jet column construction in sandy ground are carried out. Dependences of deformation modulus, compression strength and tension strength.

Key words: pile, foundation, parameter, drilling, grouting, pressure.

Получено 20.04.11

УДК 624.19:621.876.32

B.A. Маслак, ген. директор, (812) 316-20-22, [email protected],

К.П. Безродный, зам. ген. директора, д-р техн. наук, (812) 312-78-11, [email protected],

М.О. Лебедев, зав. лаб., канд. техн. наук, (812) 702-61-95, [email protected],

(Россия, Санкт-Петербург, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»)

СТРОИТЕЛЬСТВО ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ В СЛАБЫХ ГРУНТАХ ЩИТОВЫМ СПОСОБОМ

Приведены результаты геотехнического мониторинга при строительстве эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге при помощи тоннелепроходческого механизированного комплекса. Впервые в рассматриваемых условиях получены закономерности деформирования массива от контура тоннеля до дневной поверхности в пределах всей толщи массива.

Ключевые слова: наклонный тоннель, грунты, мониторинг, деформации, обделка, напряжения.

В апреле 2011 года закончена проходка эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская». Расположение станции в центре Санкт-Петербурга в условиях плотной городской застройки стало ключевым мо-

ментом, который оказывал влияние на более чем 30 летнее ожидание окончания ее строительства.

После принятия решения о наиболее эффективной с точки зрения минимальных деформаций дневной поверхности технологии строительства эскалаторного тоннеля фирмой «Херренкнехт АГ» был сконструирован и построен тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК) [1].

ТПМК представляет собой комплекс с системой грунтопригруза, способной поддерживать забой, уравновешивая давление грунта и воды, а также воздействовать на грунт посредством нагнетания химических реагентов.

Эскалаторный тоннель выполнен в сборной железобетонной обделке диаметром 10,4 м (рис.1), толщина блоков 500 мм. Блочная железобетонная обделка выполнена из водонепроницаемого бетона класса В-60 с резиновым уплотнением стыков. Для монтажа обделки использовался эректор. Соединение элементов кольца между собой и с ранее установленным кольцом осуществлено болтами.

Заобделочное пространство заполнялось специальным водонепроницаемым двухкомпонентным быстротвердеющим раствором, смешивание которого осуществлялось в момент нагнетания в заобделочное простанст-во.

Отсутствие мирового опыта по строительству наклонных тоннелей в слабых грунтах стало основанием для экспериментальной проходки эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал», расположение которого было вне зоны влияния на существующую застройку.

Выявленные в процессе экспериментального строительства недостатки технологического и идеологического характера стали корректироваться еще при строительстве тоннеля [2]. Полученный опыт строительства, принципиальное изменение контроля технологических параметров ведения щита и результаты геотехнического мониторинга [3] позволили дать обоснованное заключение о несоответствии некоторых технологических параметров работы щита и возведения обделки основной задаче -достижении таких величин деформаций, при которых будет достигнуто безопасное поддержание существующих зданий на поверхности.

При строительстве эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская» в составе геотехнического мониторинга решались следующие задачи:

- контроль деформаций дневной поверхности и окружающей застройки;

- определение напряжённо-деформированного состояния массива и обделки эскалаторного тоннеля в натурных условиях;

- уточнение деформационно-прочностных характеристик литологических разностей по трассе тоннеля;

- контроль качества заполнения тампонажным раствором заобде-лочного пространства;

- контроль внутрипластового давления во вмещающем массиве.

Рис. 1. Общий вид кольца блочной обделки наклонного тоннеля

В решении поставленных задач под руководством ОАО «Ленметро-гипротранс» участвовали следующие организации: СПГУПС, ЗАО «Фирма «ГИРО», АЦИА (Ассоциация центров инжиниринга и автоматизации), ЗАО «Геострой», ЗАО «Гидрострим» и ЗАО «Триада-Холдинг».

Определение напряжённо-деформированного состояния массива и обделки эскалаторного тоннеля было осуществлено двумя методами. Напряженное состояние собственно обделки выполнялось при помощи струнных датчиков, установленных в блоках при их изготовлении. Деформации массива определялись при помощи глубинных реперов - экстензо-метров.

По трассе тоннеля датчиками было оснащено шесть колец обделки (рис.2). В каждом кольце датчики для определения нормальных тангенциальных напряжений и напряжений вдоль оси тоннеля размещены в четырех блоках.

Датчики для определения нормальных тангенциальных напряжений были расположены на внешнем и внутреннем контурах блоков обделки, датчики вдоль оси тоннеля - на нейтральной линии блоков.

В соответствии с полученными результатами определения нормальных тангенциальных напряжений были выявлены следующие закономерности.

Большая часть напряженного состояния обделки (порядка 70...80%) формируется в процессе введения кольца в работу - после нагнетания тампонажного раствора.

Рис. 2. Расположение контрольно-измерительной аппаратуры по трассе тоннеля: 1 - массив, закрепленный Jet-cвaямu;

2 - вертикальные скважины по оси тоннеля;

3 - глубинныерепера - экстензометры; 4 - кольца обделки, оснащенные

струнными датчиками

После этого еще в течение 2 - 3 недель напряженное состояние увеличивается (рис. 3), а затем по разным кольцам и отдельным блокам отме-чается различная картина: стабилизация напряженного состояния, дальнейший рост напряженного состояния, выравнивание напряженного состояния между внешним и внутренним контуром или наоборот увеличение разницы этих напряжений. В последнем случае происходит увеличение изгибающего момента.

Как правило, по всему периметру формируются сжимающие напряжения. Зафиксированные в отдельных случаях растягивающие напряжения не превышают 5 МПа.

Наблюдения в течение 2 месяцев (до окончания проходки) показали, что нормальные тангенциальные напряжения в обделке зависят от глубины заложения рассматриваемого сечения. Так, в верхних трех кольцах нормальные тангенциальные напряжения в среднем составили 6 МПа. А в

нижних трех кольцах при средних величинах в 15___18 МПа достигают

максимальных значений до 32 МПа.

Напряжения вдоль оси тоннеля также преимущественно сжимаю -щие (в кольцах № 71, 94 и 100 были зафиксированы незначительные растягивающие напряжения - по одному блоку в каждом кольце). После монтажа колец и введения их в работу, напряжения возрастают в течение 2_3 недель и за это время достигают 3_8 МПа. После окончания проходки

тоннеля отмечается снижение продольных напряжений. В некоторых блоках продольные напряжения уменьшились до нуля.

24

21

18

V

о

т—

■и СГ 1Ь

Ф

X

н 0 12

о;

5

3

ГО

S

о.

о

■8-

ф

с[

3

0 ,

10.

-3

n/vi

Ж

2.11 20. idL 1 12.: 1.11 22. 5.11 1.4. 1 w k11 21.'

8

ГО

с

7 E

ф

s

z

Ф

*

0?

а

с

Li го

X

ф

0

4 X

U

С

ГО

s

Э

I

Ф

u

X

ГО

H

Ф

О

X

J3

С

ГО

II k

а

11 о

X

Продолжительность наблюдений, дата

-о—деф-я (внешний) —«—деф-я (внутренний)

-*—напр-е (внешний) —■— напр-е (внутренний)

Рис. 3. Формирование нормальных тангенциальных напряжений

в сборной обделке тоннеля

С целью получения информации о качественных и количественных показателях деформаций массива от контура тоннеля и до поверхности было пробурено 4 измерительных скважины (см. рис. 2), оснащенных цельностержневыми экстензометрами фирмы «Soil». Экстензометры устанавливались на различной глубине - от 6,5 до 49 м.

Цельностержневой экстензометр представляет собой стержень, один конец которого прикреплен к гидравлическому анкеру, установленному в скважине. Относительное движение между закрепляемым анкером и базовой точкой измеряется с помощью струнного датчика смещений (измерительный диапазон 50 мм). Система подобных устройств позволяет следить за смещениями на разных глубинах, используя стержни различных длин.

Экстензометры (вместе с датчиками гидростатического давления) были подключены к системе автоматического съема информации, ее обработки и передачи на специальный Интернет-портал. Такая система позволила вести круглосуточный непрерывный контроль глубинных деформаций с регулируемой частотой измерений.

Устройство скважины Э1 было осуществлено в теле массива, закрепленного Jet-сваями. Деформаций массива здесь выявлено не было. Скважина Э4 была расположена в самой глубокой части тоннеля. Здесь максимальные деформации у контура тоннеля составили 23 мм (плотные

протерозойские глины оказали значительную сдерживающую роль). Скважины Э2 и Э3 располагаются в средней части тоннеля и по ним были получены следующие закономерности (величины деформаций в этих скважинах сопоставимы).

Деформации массива непосредственно в приконтурной зоне тоннеля (мощностью до 5 метров) начинают происходить впереди забоя щита и составляют до 2...3 мм. Во время схода обделки с оболочки щита, происходит резкий скачек деформаций до 40 мм и более (что превышает допустимое значение, определенное регламентом ЦНИИС). При проходке следующих 4 метров деформации продолжают быстро увеличиваться и достигают 75 мм. Затем интенсивность роста деформаций снижается. К моменту окончания проходки тоннеля деформации в приконтурной зоне тоннеля превышают 100 мм.

02-1(9,5 м)

02-2(1 Хм)

■ 32-3(25 м)

- 32-4(29 м)

Рис. 4. Формирование деформаций в толщемассива для четырех экстензометров в скважине Э2

Два нижних экстензометра в каждой скважины расположены в пределах лужской морены. Как видно из графиков (рис. 4), эти грунты практически не сдерживают развитие деформаций. При расстоянии между этими экстензометрами в 4 метра для скважины Э2 и 9 метров для скважины Э3, величины деформаций для обоих экстензометров близки и во времени отстают всего на одни сутки.

Расположенные выше ленточные глины оказывают сдерживающее влияние на развитие деформаций. К окончанию проходки на глубине 18 метров деформации в 2 раза меньше, чем на глубине 29 метров (в 5 метрах от контура тоннеля).

Наблюдения на глубине 9.10 метров показывают, что эта часть массива деформируется вместе с дневной поверхностью.

В таблице показаны результаты измерений глубинных деформаций

по всем скважинам, геодезические измерения оседаний поверхности в местах устройства скважин и сопоставление величин деформаций с расчетными величинами (данные ЦНИИС).

Качество заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором выполнялось ультразвуковым методом. По данным проведенных исследований по всей трассе тоннеля (в пределах каждого кольца) в большей или меньшей мере было выявлено наличие пустот за обделкой. Основными факторами, влияющими на качество нагнетания за обделку двухкомпонентного раствора, были определены технологические причины и свойства пересекаемых тоннелем грунтов.

Деформации массива

Номер скважины Датчик Глубина установки анкера Допустимая деформация по данным ЦНИИС, мм Де(| юрмация к окончанию проходки, мм

Поверхне сть По показаниям экстензометров Общая В % от допустимой деформации

Э1 Э1-1 6,5 м -32,5 -3 -1,8 -5 15

Э2 Э2-1 9,5 м -17,5 -22 +2,6 -19 109

Э2-2 18 м -24 -22 -29,5 -52 217

Э2-3 25 м -31 -22 -71,3* -93* 300*

Э2-4 29 м -40 -22 -72,7* -95* 238*

Э3 Э3-1 11 м -16,5 -27 -2,7 -30 182

Э3-2 18 м -24,5 -27 -12,8 -40 163

Э3-3 29 м -33 -27 -61,8 -89 270

Э3-4 38 м -40 -27 -74,2* -101* 253*

Э4 Э4-1 9,5 м -16 -17 0,0 -17 106

Э4-2 18 м -16 -17 -2,6 -20 125

Э4-3 35 м -22 -17 -3,7 -21 95

Э4-4 49 м -32 -17 -22,8 -40 125

* Максимальное значение деформации до выхода датчика из строя (деформации превысили предел измерения прибора).

В результате проведенного геотехнического мониторинга при проходке наклонного тоннеля по новой для условий Санкт-Петербургского метрополитена технологии - щитовым способом, получены следующие результаты:

- нормальные тангенциальные напряжения в обделке более чем в 2 раза ниже прочностных свойств материала обделки. Решение обратной задачи точными аналитическими методами взаимодействия системы «обделка-массив» с учетом фактических деформационно-прочностных свойств массива, полученных методом сейсмоакустики, позволяет уточнить расчетную схему и скорректировать материалоемкость обделки;

- комплексный анализ формирования напряженно-деформированного состояния обделки, глубинных деформаций, качества заполнения за-обделочного пространства и гидростатического давления в массиве позволяет сделать заключение, что необходимо корректировать сочетание следующих параметров - время схватывания двухкомпонентного раствора и технологию его подачи в заобделочное пространство. Состав двухкомпонентного раствора должен подбираться с учетом пересекаемых тоннелем литологических разностей, в том числе и в пределах одного кольца.

Список литературы

1. Лебедев М.О., Маслак В.А. Натурные исследования при внедрении новых геотехнологий строительства тоннелей в условиях Санкт-Петербургского метрополитена // Известия ТулГУ. Серия Естественные науки. Вып. 3. 2008. С. 96-99.

2. Гигиняк Е.И. Сооружение наклонного хода станции метрополитена с помощью ТПМК фирмы «Херренкнехт» в Санкт-Петербурге // Метро и Тоннели. 2009. №5. С. 4-5.

V.A. Maslak, K.P. Bezrodny, M.O. Lebedev

CONSTRUCTION OF ESCALATOR TUNNELS IN WEAK SOILS BY THE SHIELD METHOD

The results of geotechnical monitoring in the construction of escalator tunnels in St. Petersburg using a tunnel boring machine are presented. For the first time under the conditions reviewed, laws of rock deformation from the tunnel outline to the day surface within the entire rock mass were obtained.

Key words: Inclined tunnel, soils, monitoring, deformations, tunnel lining, stresses.

Получено 20.04.11

УДК 622.8:004

C.K. Мещанинов, д-р техн. наук, проф., +38 056 744-61-87, [email protected] (Украина, Днепропетровск, НГУ),

С.В. Борщевский, д-р техн. наук, проф., [email protected] (Украина, Донецк, ДонНТУ)

ПРИМЕНЕНИЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ЗАДАЧАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Рассмотрены вопросы современной концепции обеспечения промышленной безопасности ведения подземных горных работ с использованием современных кибернетических методов. Особое значение в этом вопросе отведено человеческому фактору, при этом отмечено определяющее значение моделирования технологического про-