CC BY
122
© С.В. Мазсин, А.М. Павленко, 2007
УДК 622.272
С.В. Мазеин, А.М. Павленко
ЗАВИСИМОСТЬ ОСАДОК ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ СВОЙСТВ ПОРОДНОГО МАССИВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ (ТПМК)
Семинар № 15
В связи с быстрым ростом городов и увеличением числа жителей в них, возникает необходимость сооружения транспортных сооружений для удобства передвижения в пределах города. Транспортные тоннели, подземные автостоянки, станции метрополитена, а так же перегонные тоннели строятся за короткие сроки. При этом в породном массиве происходят процессы, давления которые приводят к деформации дневной поверхности [1]. В пределах городской застройки эти процессы оказывают значительное влияние на здания и сооружения, находящиеся в зоне проходческих работ.
Так при щитовой проходке тоннелепроходческим механизированным комплексом (ТПМК) большого диаметра, несмотря на применяемые в них безосадочные технологии с активным пригрузом забоя и непрерывного тампонажа заобделочного зазора раствором, осадки земной поверхности над тоннелями могут достигать существенных значений, при которых здания и сооружения, расположенные на поверхности, могут деформироваться.
Опыт ранее проведенных работ применим в основном на стадии проектирования тоннелей, поскольку
рассматривает причины деформаций поверхности исходя из параметров массива и сечения тоннеля. Следовательно, целью данной работы является установление, сравнение и прогнозирование зависимостей осадок дневной поверхности от свойств породного массива на участке проведения тоннеля. При этом необходимо проводить анализа факторов влияния на осадку с выбором рабочих показателей щитового тоннелестроения, прогноза осадок в процессе проходки.
Методология контроля и анализа влияющих параметров на осадку поверхности требуется для более точного прогнозирования деформационных явлений в процессе проходки тоннеля.
При использовании больших ТПМК (например 14,2 м) с гидропри-грузом забоя бентонитовой суспензией, возникают дополнительные, ранее не изученные причины осадок. Поэтому важным аспектом является избирательный учет факторов влияния на осадку поверхности, произведенный после всестороннего анализа всех известных причинно-следственных взаимосвязей факторов и их корреляции с показателями осадок поверхности. При установлении влияющих факторов нужно учесть, чтобы
они должны быть по возможности совместимыми и независимыми [2].
В качестве показателя осадок поверхности принимаются отслеженные НИЦ ТМ ОАО «ЦНИИС» максимальные осадки мульды над конкретным кольцом обделки тоннеля, стабилизированные после удаления забоя от наблюдательных поперечных линий реперов. В качестве факторов влияния принимаются усредненные показатели 3 циклов проходки ближайших к наблюдательной линии колец.
При анализе параметров, влияющих на осадку поверхности, реально представляя по опыту и результатам проходки нескольких тоннелей [3,4] характер формирования и развития деформаций массива над щитом и обделкой, разделяем факторы влияния на 4 группы:
I - параметры массива,
II - показатели щитовой проходки,
III - параметры конструкции щита,
IV - геометрия сечения выработки.
Самыми значащими для проведенного анализа и прогноза факторами, влияющими на осадку грунтов над проводимым тоннелем, принимаем следующие особенности:
из группы I (параметры массива):
- глубина заложения свода тоннеля,
- уклон тоннеля,
- разрыхление породного массива;
из группы II (показатели щитовой
проходки):
- уклон щита,
- давление пригруза,
- срез наклона ротора.
Информация о факторах II и I
групп в основном дублируется из двух независимых источников, что придает достоверность данным о параметрах. Большинство этих показателей можно отследить в режиме реального времени по показаниям приборов, которые
регистрируются программным логическим контроллером (РЬС) системы сбора данных на ТПМК. Это дает возможность осуществлять текущий прогноз осадок по параметрам ТПМК.
При проходке тоннеля важно учитывать свойства массива и грунтов. По трассе группы тоннелей длиной по 1500 м и диаметром разработки 14,2 м и 6,28 м наибольшая мощность несвязного (слабоустойчивого) грунта составляет 22 м. В отдельных частях встречаются техногенные грунты мощностью 4,0 м. Как показали наблюдения именно на поверхности данных пород и наблюдаются осадки над тоннелями. Щитовая проходка от ПК 26 до ПК 12 осуществляется на глубинах от 21 до 40 м (по лотку) в песках и глинах с нарастанием гидростатического давления на обделку тоннеля до 2,5 бар, до ПК 17 - в четвертичных аллювиальных и водноледниковых песках различной крупности средней плотности от маловлажных до водонасыщенных. Пески (несвязные грунты) содержат линзы супесей, суглинков и галечника, иногда - отдельные валуны диаметром до 0.3-0.5 м.
В кровле тоннеля с ПК 21 до ПК 16 залегают влажные и водонасыщенные пески суммарной мощностью от 17 до 27 м. Щитовая проходка от ПК 17 до ПК 12 осуществляется на глубинах 40-45 м в юрских отложениях. Тоннели здесь проходят в титонских текучих супесях и тугопластичных суглинках, в полутвердых оксфордских и келло-вейских глинах (связных грунтах). Подземные воды встречаются в верхней части забоя, уровень которых превышает отметки лотка тоннелей на 25 м [4].
Г лубина заложения свода тоннелей влияет при проходке на величину
Осадка от расстояния до свода тоннеля
расстояние до свода тоннеля, м
♦ осадка, мм
Экспоненциальный (осадка, мм
Рис. 1. Зависимость осадки поверхности от расстояния до свода тоннеля
проседания грунтов. При проходке тоннеля в условиях 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, проседание грунта над тоннелем в выработанное пространство пройденного сооружения. Общеизвестно, что с увеличением глубины залегания тоннеля происходит уменьшение проседания пород и зоны мульды оседания.
Интерполируя график «осадка-глубина Н», полученный при проходке 2-го транспортного и сервисного тоннелей с величиной достоверности 0,99 [5] и аппроксимации 0,427, находим максимальную осадку, равную 42 мм при мощности породного массива, стремящейся к 0. Осадка практически равна 0 при
породном массива свыше 3 диаметров тоннеля. Это, например, важно для выбора математической модели деформирования грунтового массива.
Наблюдения проведенные на участке тоннеля показал, что уклон тоннелей влияет на оседание грунтов (рис. 2).
Следует учитывать, что величины максимальных деформаций земной поверхности (наклон) при возведении отдельных сооружений станции могут превышать суммарные деформации от строительства всей станции метрополитена. 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 станций метрополитена глубокого заложения развитие мульды сдвижения земной поверхности достигает по площади
Рис. 2. Зависимость осадки поверхности от уклона тоннелей
нескольких гектаров и захватывает целые микрорайоны застройки.
Рассматриваемая ранее зависимость осадки от уклона тоннелей, которая получена с большой достоверностью вывода 0,99 и величиной достоверности аппроксимации Н2= =0,4603, имеет минимум при положительных уклонах тоннеля (рис. 2). Это говорит о меньших деформа-циионных воздействиях проходки на вышележащий массив и лучших условиях заполнения зазора за обделкой тоннеля тампонажным раствором при движении щита вверх.
Влияние отрицательной кривизны земной поверхности на цокольноподвальную часть зданий приводит к развитию деформаций и повреждений, в фундаментах, в конструкциях пола подвала (гидроизоляции), в сводчатых кирпичных перекрытиях над подвальными помещениями и т. д.
При расположении зданий рядовой застройки на участке отрицательной кривизны мульды могут возникнуть опасные повреждения также в верхней части зданий от влияния наклонов соседних зданий.
Суммарная мульда сдвижения, хотя и увеличивает оседания земной поверхности, но в ряде случаев делает наклоны более пологими и уменьшает кривизну на отдельных участках.
Зависимость осадки грунтов от разрыхления окружающего тоннель массива влияет определенным образом на просадку грунтов в районе проходки тоннеля.
Линия профиля мульды осадок зависит от пористости и связанной с ней водонасыщенности вынимаемого грунта, характеризующих способность массива к деформированию. Встречающееся разрыхление грунта может быть оценено по разности выходяще-
Рис. 3. Зависимость осадки от пористости разрабатываемого грунта
го и входящего потоков трубопроводного транспорта породы и геометрическому объему выемки [6]. Зависимость осадки от % воздушных пор имеет полиномиальный возрастающий вид с высокой величиной достоверности (рис.3). Отрицательные значения пористости при минимальных осадках характерны для набухающих глин, высокие значения осадок - для маловлажных песков, промежуточные возрастающие значения осадок - для песков с уменьшающейся степенью водонасыщения.
Таким образом, имеется с достоверностью 0,99 три основных, приблизительно равнозначных фактора влияния свойств массива на осадку, только частично опосредованных (сумма процентов связи немногим
более 100 %). Причем первые два фактора (глубина заложения и уклон тоннелей) можно учитывать на стадии проектирования трассы тоннеля, строя на них прогноз осадок, а показатель пористости - на стадии тоннелестроения для оперативного прогноза разрыхления и деформаций массива из-за влияния карстов, твердых включений и соседних выработок.
Таким образом, следует учитывать, что величины максимальных деформаций земной поверхности (наклон и кривизна) при возведении отдельных подземных сооружений могут превышать суммарные деформации от строительства всего тоннеля или его отдельного большого участка проходки.
1. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. -М.: Недра, 1986.
2. Маковский Ё.В., Фам Ань Туан. Проходка тоннелей в слабоустойчивых грунтах. Определение параметров мульды осадок земной поверхности // Метро и тоннели. -2006. - № 5. - С. 24-25.
3. Грачев В.П., Горбунов Г.Н., Синиц-кий Г.М., Власов С.Н. Лефортовский тоннель - половина пути пройдена! // Метро и тоннели. - 2002. - №4. - С. 20-25.
4. Арбузов М.Ю., Мазеин С.В., Власов С.Н., Синицкий Г.М., Яцков Б.И. Итоги
первого этапа проходки тоннелей в Серебряном Бору // Метро и тоннели. -2005. -№2. - С. 12-15.
5. Сидоренко Е.В. Методы математической обработки в психологии - СПб.: ООО «Речь», 2001, с. 340.
6. Dipl.-Ing. Gerhard Wehrmeier. Massen-kontrolle bei Schildvortrieben - Stand und Erfahrungen // Tunnelbau im Untertagebau / Taschenbuch fbr den Tunnelbau 2002.- 26. Jahrgang. -Verlag Glueckauf GmBH, Essen. -2001, S. 184-227. ЕШ
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------
Мазеин С.В. - кандидат технических наук, сервис-инженер, ЗАО «Херренкнехт тон-нельсервис»,
Павленко А. М. - аспирант кафедры «Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный университет.
----------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Андриевская Н.И. Метод сравнительной рейтинговой оценки предприятия (579/06-07 — 11.04.07) 11 с.
2. Харахан О.Г. Информационные технологии планирования ремонтно-восстановительных работгазовых скважин (580/06-07 — 16.04.07) 10 с.
