Обеспечение безопасности зданий при скоростной проходке тоннелей щитовым способом.
На правах рукописи
Елгаев Всеволод Сергеевич
Обеспечение безопасности зданий при скоростной проходке тоннелей щитовым способом.
05.23.02 – основания и фундаменты, подземные сооружения.
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва-2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)) на кафедре «Подземные сооружения».
| Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: | доктор технических наук, профессор Курбацкий Евгений Николаевич доктор технических наук, профессор Меркин Валерий Евсеевич Генеральный директор научно-исследовательского центра Тоннельной ассоциации России (НИЦ ТА) кандидат технических наук Тупиков Максим Михайлович Заместитель генерального директора ООО «Подземпроект» ОАО «Метрогипротранс» |
Защита состоится «16» января 2013 г. в 16:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 218.005.05 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) по адресу: 127994,г. Москва, ГСП-4, ул. Образцова, д. 9, стр. 9., ауд. 7618..
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ).
Автореферат разослан « _ »__декабря____2012г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат техн. наук, доцент Шавыкина М.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Современная градостроительная ситуация мегаполисов характеризуется крайним обострением транспортной проблемы. Основным и наиболее эффективным способом решения этой проблемы является развитие сети метрополитена. Подземные транспортные линии в условиях плотной городской застройки являются наиболее эффективными средствами решения этой проблемы.
Программа строительства московского метрополитена на период 2011-1015 гг. и далее до 2025 года. К 2015 году должно быть построено 36 новых станций и 75 км линий метро, к 2020 году - 100 км, к 2025 году протяженность сети метрополитена в Москве должна увеличиться до 650 км. Достижение таких скоростей строительства возможно только при условии внедрения новой высокопроизводительной техники и прогрессивных строительных технологий. В основе чего лежит применение современных тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК).В целях удешевления стоимости строительства объектов приоритет отдается линиям неглубокого заложения. Так в настоящее время в Москве начинается проектирование Кожуховской линии метрополитена с глубиной заложения тоннелей порядка 20-30 метров.
При строительстве и эксплуатации таких объектов, возникает целый ряд проблем, которые необходимо решать еще на стадии проектирования. К ним относятся:
- возможные чрезмерные осадки поверхности грунта, возникающие при проходке тоннелей, которые могут повредить здания, попадающие в области проявления этих осадок;
- вибрации, создаваемые рабочими органами щита при разработке породы, которые также могут передаваться фундаментам зданий, привести к повреждениям элементов зданий в особенности старинных зданий, представляющих историческую ценность;
- вибрации могут привести к разжижению грунтов, что уменьшит несущую способность грунтов;
- вибрации от подвижного состава, возникающие при эксплуатации тоннелей метро мелкого заложения.
Диссертация посвящена вопросам оценки статических и динамических воздействий на здания и другие наземные сооружения при щитовой проходке при проходке тоннелей метрополитенов и совершенствованию безосадочных технологий проходки на основе оптимизации тампонажных процессов.
Актуальность проблемы. Спектр применения современных ТПМК в последние годы расширяется. Выбор дорогих роторных щитовых комплексов для строительства тоннелей продиктован, прежде всего, возможностями формирования больших круговых сечений тоннелей и высокой скорости проходки, безопасной для персонала и наземных сооружений эксплуатацией проходческих механизмов, хорошим качеством выполненной тоннельной обделки, целостности ее и дневной поверхности над тоннелем. Одним из важнейших параметров, характеризующих деформацию дневной поверхности в зоне влияния проходки тоннеля, является достигаемое значение осадки в центре мульды оседания над тоннелем. Результаты применения роторных комплексов, различных по диаметрам и видам активного пригруза, по данным независимых источников свидетельствуют о том, что конечная осадка поверхности является, как правило, незначительной для городских зданий и сооружений (отсюда происходит термин «безосадочные технологии»). Однако в практике строительства имели место случаи существенных просадок поверхности, приводящих к повреждениям дорог, инженерных коммуникаций, наземных зданий и сооружений. Ярким примером подобной катастрофической осадки является провал земной поверхности в районе ул. Минской (г. Москва, 2007 г.) при проходке перегонных тоннелей на участке ст. «Парк Победы» - ст. «Славянский бульвар» с помощью щита фирмы «Херренкнехт» с грунтопригрузом.
Причины этого происшествия до конца так и не установлены, в том числе из-за отсутствия научно обоснованных инженерных методик и рекомендаций. Можно было бы привести и другие примеры. Известно, что основным путем предотвращения подобных случаев является применение тампонажа заобделочного пространства. Вместе с тем, тампонаж является трудоемким и дорогостоящим мероприятием, что обуславливает необходимость его оптимизации. Для этой оптимизации необходимо выполнение точных инженерных расчетов, в том числе с применением программно-математического обеспечения.
Всё вышеизложенное обосновывает научную актуальность и практическую востребованность настоящего исследования.
Цель и задачи работы:
- произвести анализ существующих способов оценок и предотвращения осадок дневной поверхности при щитовой проходке тоннелей;
- выявить закономерностьвлияния факторов щитовой проходки тоннелей на параметры колебания грунта;
- исследовать конструктивные и технологические решения современных ТПМК, обуславливающие безосадочную проходку тоннелей, обосновать необходимость разработки новых составов для инъектирования, обладающих повышенным экономическим и технологическим эффектом;
- исследовать эмпирические и аналитические методы оценки осадок, произвести натурные экспериментальные исследования на строительстве участков Московского метрополитена,
- оценить динамические воздействия на фундаменты зданий, создаваемые рабочими органами щита при разработке породы;
- обосновать направления совершенствования безосадочных технологий при скоростной проходке тоннелей ТПМК;
- разработать научно-инженерные рекомендации по оптимизации составов и технологии инъектирования тампонажного раствора в заблочное пространство.
Научная новизна работы и личный вклад автора.
- выявлена связь параметров колебаний частиц в грунтах от щитовой проходки с уровнем вибрации поверхности земли;
- предложено для оценки воздействия на фундамент зданий использовать предельное значение вибрации грунта на поверхности земли;
- модернизирована теорема взаимности для оценка риска повреждений зданий из-за осадок поверхности грунта;
- предложены меры для укрепления грунтового основания обеспечивающие безосадочную проходку;
- разработаны новые составы тампонажной смеси.
Методологической базой исследований является анализ взаимодействия системы «тоннельная обделка подземного сооружения – грунт – здание на поверхности» путем проведения аналитического решения задач с использованием моделей современной механики грунтов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений и моделей классической механики грунтов, методов теории упругости и строительной механики, нашла подтверждение в ходе натурных экспериментов, произведенных на строящихся участках Московского метрополитена, а так же хорошим совпадением результатов, полученных в данной работе, с теоретическими и экспериментальными данными других авторов
Практическая значимость и реализация работы. Реализация работы осуществлена в виде следующих рекомендаций:
- предложены упрощённые формулы и методики оценки осадок фундаментов зданий при проходке тоннелей щитовым способом,
- предложены допустимые пиковые значения скоростей колебаний грунта, создаваемых при щитовой проходке для конструкций, выполненных из разных материалов (стали, бетона, кменной кладки и т.д).
- разработан Регламент по нагнетанию тампонажных растворов в заобделочное пространство.
- представлена таблица регламентируемых пиковых значений скоростей колебаний грунта на уровне фундаментов зданий для конструкций из различных материалов (сталь, бетон, каменная кладка и.т.д), по аналогии с нормативными документами Европейских стран
Апробация работы: основные научные положения работы докладывались:
- на международной научно-технической выставке «City Built - 2011» в «Экспоцентре на Красной Пресне» в г.Москва, 18 октября 2011 г.;
- на международной конференции «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений» в ТулГу в г. Тула 11-12 ноября 2012;.
- на научно-практической конференции «Неделя науки-2012. Наука МИИТа - транспорту» в МИИТ г. Москва 20 апреля 2012 году.
- на научно-техническом совете по строительству объектов метро и транспортной инфраструктуры Департамента строительства города Москвы.
Москва 31 мая 2012 года. - результатов научных исследований использованы при проходке тоннелей метрополитена под руслом Москвы-реки, под Московской кольцевой автодорогой (МКАД), под путями Московской железной дороги, а также в зонах плотной жилой застройки г. Москвы.
- результаты работы внедрены при проектировании и строительстве перегонных тоннелей Московского метрополитена на участке ст. «Новогиреево» - ст. «Новокосино».
- в дальнейшем результаты работы планируется применять при строительстве новых линий Московского метрополитена
На защиту выносятся:
- экспериментально-аналитический метод прогноза деформаций дневной поверхности при проходке тоннелей мелкого заложения щитовым способом;
- метод расчёта уровней вибраций поверхности грунта, создаваемых рабочими органами щита при проходке тоннелей мелкого заложения;
- рекомендации по подбору тампонажного раствора;
- совокупность научных положений, на базе которых разработан Регламент по нагнетанию тампонажных растворов в заобделочное пространство.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 5 работ, из них 2 в издании, рекомендуемом ВАК РФ для кандидатских диссертаций.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов - общим объемом 115 стр. печатного текста, включая 33 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 62 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность проблемы исследований, сформулирована цель работы, обозначены решаемые автором задачи, обоснована достоверность полученных результатов. Кроме того, диссертант доказывает научную новизну и практическую значимость работы.
В первой главе диссертации выполнен литературный обзор, дан краткий анализ современного состояния и основных тенденций строительства перегонных тоннелей метрополитенов щитовым способом и его влияние зданий и сооружений, расположенных вдоль трассы.
Вопросами проектирования и строительства тоннелей щитовым способом занимались: Ю.А. Лиманов, А.К. Поправко, В.С. Молчанов и Ю.Н. Савельев, Е.А. Демешко и В.А. Ходош, Г.Н. Сазонова. Среди зарубежных исследователей следует отметить: Peck, O’Reilly и New, Attewell, P. B., & Woodman. Российский опыт проектирования и строительства оснований и фундаментов вновь строящихся и реконструируемых зданий и сооружений, заглубленных и подземных сооружений освещен в статьях российских ученых и инженеров-практиков Ильичева В.А., Колыбина И.В., Коновалова П.А., Петрухина В.П., Улицкого В.М., Зарецкого Ю.К., Ухова С.Б., Конюхова Д.С., Юркевича П.Б., Бычкова Н.Н., Власова С.Н., Меркина В.Е., Картозии Б.А., Федунца Б.И., Маковского И.В., и др.
Из анализа опыта проектирования и строительства тоннелей щитовым способом, освещенного в их работах и нормативных документах, можно заключить, что щитовой способ проходки тоннелей является одним из наиболее прогрессивных и универсальных для устройства подземных сооружений, так как позволяет осуществлять строительство тоннелей в различных геологических условиях в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений. Однако даже современные технологии проходки тоннелей не могут полностью исключить просадки поверхности. Возникают проблемы, связанные с просадками поверхности: повреждения наземных зданий и сооружений, инженерных коммуникаций, дорог и др. Масштабы проблем, вызванных осадками поверхности, могут, в зависимости от их размеров, простираться от малых аварийных ситуаций до крупных техногенных катастроф, нарушений экосистем.
Современные технологии проходки позволяют ограничить движение грунта до такой степени, чтобы ущерб от него подземным и наземным сооружениям был бы минимальным, или исключен полностью.
Между тем, на смену отечественным щитам типа КТ1-5,6, ЩМР-1, КМ-24, КТ-5, 6 Д2 и др., способным развивать скорость проходки 3-4 метра в сутки, всё шире и шире приходят щиты зарубежного производства фирм Ловат, Херренкнехт, Мицубиши, Роббинс и др., способные развивать скорость проходки 15-20 метров в сутки и работать в неустойчивых грунтах без дополнительных специальных мероприятий (кессон, замораживание, водопонижение и др.). Понятно, что при таких скоростях геомеханическая нагрузка на породный массив существенно возрастает и решение проблем предотвращения осадок усложняется.
Вышеизложенный анализ неоспоримо обосновывает необходимость совершенствования существующих способов предотвращения осадок.
В результате анализа опыта проектирования и строительства тоннелей щитовым способом, отечественных и мировых тенденций научно-технического прогресса в данной области, можно сформулировать следующие выводы:
- щитовой способ проходки тоннелей является одним из наиболее прогрессивных и универсальных для устройства подземных сооружений, так как позволяет осуществлять строительство тоннелей в различных геологических условиях, в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений;
- основным расчетным требованием при проектировании проходки тоннелей является ограничение движения грунта до такой степени, чтобы ущерб от него подземным и наземным сооружениям был бы минимальным или исключен полностью;
- основным способом надежного предотвращения осадок дневной поверхности при щитовой проходке тоннелей является качественно и своевременно выполненное нагнетание (инъектирование) тампонажных материалов;
- существующие способы предотвращения осадок с применением тампонажа, особенно с учетом распространения скоростных щитов, оказывающих усиленное геомеханическое воздействие на грунтовой массив, нуждаются в оптимизации тампонажных процессов и совершенствовании программно-математического обеспечения их расчетов.
Для обеспечения безосадачной проходки необходимо решать следующие задачи:
- провести анализ существующих способов оценок и предотвращения осадок дневной поверхности при щитовой проходке тоннелей;
- выполнить исследование конструктивных и технологических особенностей современных ТПМК, обуславливающих безосадочную проходку тоннелей;
- провести исследование эмпирических и аналитических методов оценки осадок, проведение лабораторных исследований, а также натурных экспериментальных исследований на строительстве участков Московского метрополитена;
- разработать научно-инженерные методические рекомендаций по оптимизации составов и технологии инъектирования тампонажного раствора в заобделочное пространство;
- обосновать области применения разработанных методических рекомендаций и перспективы их применения, дальнейшей оптимизации и совершенствования.
Вторая глава посвящена исследованиям по оценке воздействий на фундаменты зданий осадок поверхности грунта при сооружении тоннелей щитовым способом. Проведен анализ существующих экспериментально - эмпирических методов определения деформации дневной поверхности, возникающей при проходке тоннеля, и изложена разработанная методика определения перемещений дневной поверхности грунта с использованием «Теоремы взаимности», которые можно использовать на предварительной стадии проектирования для оценки риска повреждения зданий из-за осадок поверхности грунта.
Рисунок 1 - Расчетная схема для определения перемещений стенок цилиндрической полости при действии вертикальной силы на поверхности
Недостаток эмпирических методов заключается в том, что при таком способе определения поверхности мульды сдвига не учитываются свойства грунта.
Для определения величин осадок и уровней колебаний поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей на кафедре «Подземные сооружения» МИИТа разработана методика, в которой используется «теорема взаимности» и известные решения аналитическое решения.
В настоящей работе «теорема взаимности» используется в следующей формулировке: «Если сила F(t), приложенная в направлении 
к некоторой точке А упругого анизотропного неоднородного пространства, вызывает в другой точке В перемещение в направлении 
, равное u(t), то эта же сила F(t), приложенная к точке В в направлении 
, вызовет в точке А перемещение в направлении 
, равное u(t)».
На первом этапе определяется напряженно-деформированное состояние упругого полупространства при действии постоянной сосредоточенной силы. Для этой цели используется известное аналитическое решение Фламанта, для определения радиальных напряжений в упругом полупространстве при действии сосредоточенной силы:
, (1)
Нормальные напряжения в двух взаимно перпендикулярных направлениях:
; (2) 
, (3)
где y – нормальное напряжение вдоль оси тоннеля; – нормальные напряжения, на площадках, перпендикулярных направлению 
.
Радиальные перемещения ur (м) контура цилиндрической полости при действии нормальных напряжений перпендикулярно оси этой полости определяются по формуле:
при = 0, (4)
где a - радиус полости (м); E – модуль упругости грунта (Н/м2).
Радиальные перемещения контура при действии нормальных напряжений перпендикулярных направлению оси цилиндрической полости и перпендикулярных направлению = 0:
. (5)
Радиальные перемещения контура при действии нормальных напряжений вдоль оси цилиндрической полости:
. (6)
Суммарные радиальные перемещения контура цилиндрической полости при действии напряжений вдоль оси полости и в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси полости, определяются выражением:
, (7)
где 
модуль сдвига и параметр 
, который определяется через коэффициент Пуассона:
, (8)
Подставив выражение (2.19) в уравнение (2.25) и выполнив необходимые алгебраические преобразования, получим:
. (9)
В соответствии с «теоремой взаимности», вертикальное перемещение поверхности грунта, определяемое координатами 
и углом при действии вертикальной силы, приложенной к контуру полости, будет также соответствовать выражению (9).
Полученное выражение (9) можно использовать для оценки перемещений поверхности грунта от веса щита в том случае, когда вес щита значительно превышает вес замещенного грунта. Такая же оценка может быть необходимой при использовании щитов больших диаметров.
В качестве примера определим максимальное перемещение поверхности грунта над щитом, погонный вес которого равен 800 кН/м. Модуль сдвига грунта примем равным 
Н/м2 если проходка ведется в жестких глинах. Вес удаленной породы, приходящейся на один метр, 
(Н/м), где R – радиус щита (м), – удельный вес удалённой породы (Н/м3).
Давление на грунт при проходке возрастает на величину, равную 
(Н/м).
При проходке на глубине h = 20 м щитом диаметром 6,28 м максимальная осадка от разности собственного веса щита и выбранной породы определится выражением:
(м), (10)
При проходке в мягких грунтах при модуле сдвига 
Н/м2 величина максимальной осадки над щитом возрастет и составит:
(м). (11)
Осадки полученной величины (48 мм) могут серьезно повредить наземные сооружения.
Для определения осадок поверхности грунта при заполнении зазора 
между обделкой тоннеля и выработкой также используется «теорема взаимности». В этом случае вычисляются средние радиальные перемещения неподкрепленной цилиндрической полости.
, 
, 
– средние перемещения контура цилиндрической полости (м) от трёх взаимно ортогональных напряжений, создаваемых сосредоточенной силой.
Средние суммарные перемещения при действии сосредоточенной силы, приложенной к поверхности полупространства, определяются выражением: 
. (12)
Учитывая, что перемещения стенок цилиндрической полости определяются выражением 
, где p (Н/м2) при внутреннем давлении, равном p, используя решение Рейснера 
получим:
. (13)
Полученные соотношения (12) и (13), позволяют получить простое выражение для оценки перемещений поверхности грунта, если известна величина зазора:
. (14)
Отметим, что оценкой осадок поверхности грунта при проходке тоннелей занималось большое число ученых, как в нашей стране, так и за рубежом. В большинстве формул, предложенных этими учёными, используются коэффициенты и параметры, полученные инструментальным путём при проходке тоннелей в разных инженерно геологических условиях.
На рис.7 представлено сравнение кривых мульд осадок, полученных эмпирическими, аналитическими и численными методами для коэффициента потери объема 1%.
Рисунок 7 - Сравнение профилей осадок, возникающих при проходке тоннеля, рассчитанных различными способами
Можно отметить, что профиль осадок, полученный с использованием программного комплекса PLAXIS (на рис. 7 не показанный), практически совпадает с профилем осадок, полученных с использованием формул Верруйхта и Букера. Профили осадок, рассчитанные с использованием формул Парка и функции Гаусса, незначительно отличаются от предыдущих результатов и данных полевых наблюдений. Сравнение всех профилей осадок показало, что кривая, полученная с использованием «теоремы взаимности», хорошо совпадает с результатами данных полевых наблюдений.
Представленные результаты показывают, что аналитические и эмпирические методы достаточно хорошо описывают осадки поверхности грунта.
Тем не менее, для сложных грунтовых условий более подходящими являются численные методы, позволяющие учесть неоднородность грунтов, а так же вес сооружений, находящихся над строящимся тоннелем.
При разработке методики оценки риска повреждений зданий при щитовой проходке тоннелей о автор воспользовался опытом английских ученых и результатами исследований, выполненных в России.
В соответствие с МГСН 2.07-01 при строительстве в условиях тесной городской застройки в исторических районах Москвы для существующих зданий (как правило, это многоэтажные здания с несущими стенами из кирпичной кладки без армирования, в том числе - историческая застройка, памятники истории, культуры или архитектуры) их дополнительные деформации от влияния строящегося заглубленного сооружения не должны превышать предельных величин дополнительных деформаций, приведенных в табл.14.1 вышеуказанного документа.
Возможные осадки поверхности грунта, которые могут возникнуть при проходке тоннелей, необходимо сравнивать с предельными величинами этих дополнительных деформаций.
Контролируемыми параметрами являются: величины предельных осадок 
, относительная разность осадок 
, крен i, кривизна подошвы фундамента 
.
Значения предельных параметров зависят от категории зданий. Статус здания определяется в зависимости от его возраста и назначения: памятники истории, культуры и архитектуры; историческая застройка - здания, имеющие возраст более 100 лет; старые здания - здания, имеющие возраст 50-100 лет; современные здания - здания, имеющие возраст менее 50 лет.
Считаем, что и в РФ необходим документ, регламентирующий возможные безопасные повреждения зданий, возникающие при проходке тоннелей неглубокого заложения.
Предлагается проект классификации возможных повреждений зданий, состоящий из шести категории, в зависимости от величины раскрытия трещин и объема возможных ремонтных работ.
Для количественной и качественной оценки воздействий, оказываемых на здания при проходке тоннелей, были разработаны категории повреждений этих зданий.
Предлагается оценивать риск повреждений, используя следующие параметры:
- максимальные вертикальные перемещения частиц грунта
, относительные перемещения двух соседних точек грунта 
и углы наклона поверхности;
- перемещение поверхности грунта относительно прямой линии, соединяющей две точки, описывающее прогиб или выгиб в зависимости от знака величины прогиба;
- относительный прогиб
, равный отношению максимального перемещения 
к расстоянию 
, на котором определяется этот погиб (
, может принимать положительные значения на участках прогибов и отрицательные на участках выгибов);
- угол
, описывающий угол наклона наземного сооружения или отдельной его части, представляемой твердым телом;
- угол
, описывающий вращение относительно двух соседних опорных точек; - средние горизонтальные деформации
, определяемые изменением расстояния L между точками поверхности на величину 
длины, которые определяются выражением: 
.
Учитывая европейский опыт проектирования тоннелей, предлагается для оценки воздействия проходки тоннелей на наземные сооружения использовать следующие категории оценки: (1) предварительную; (2) уточненную; (3) детальную. Это предложение принято многими проектировщиками в европейских странах.
Предварительная оценка риска повреждений зданий. На этой стадии не учитывается наличие зданий в области возможных осадок. Оцениваются контуры и величины осадок дневной поверхности по трассе тоннеля. Если максимальные вертикальные осадки свободной поверхности грунта 
менее 10 мм и углах наклона 
менее 1/500 риск повреждения зданий незначителен. Необходимость в оценке воздействий на здания, попадающие в область с такими параметрами, отпадает. Поэтому можно избежать большого количества сложных и ненужных расчетов.
Если осадки свободной поверхности грунта и углы наклона превышают вышеуказанные предельные значения, должна быть произведена уточненная оценка.
Уточненная оценка риска разрушения зданий. На стадии уточненной оценки риска разрушения зданий, также упрощенной, здание представляется упругой балкой, деформации фундамента которого повторяют деформации поверхности осадок дневной поверхности грунта. При таком подходе используются функции, описывающие относительные прогибы 
на различных участках кривой мульды осадок (для прогибов и выгибов) и максимальные горизонтальные деформации 
(положительные и отрицательные). Эта информация позволяет оценить деформации «балки». В зависимости от величин деформаций определяются категории разрушений зданий.
Детальная оценка воздействия процесса проходки тоннеля на здания. При детальной оценке должны быть приняты в расчет особенности конструкций зданий и тоннелей. Расчеты должны учитывать трехмерный процесс проходки тоннеля и ориентацию зданий по отношению к нему. Учет взаимодействия фундамента здания с грунтом является одним из важнейших факторов, позволяющих оценить влияние жесткости здания на деформации дневной поверхности грунта. при выполнении детальных расчетов используются различные программные комплексы – PLAXSIS, MIDAS и др.).
В третьей главе диссертации приводится описание лабораторных испытаний по оптимизации выбора составов и технологии инъеектирования тампонажного раствора в заобделочное пространство при скоростной проходке тоннелей метрополитена при строительстве участка ст. «Новогиреево» - ст. «Новокосино» Калининской линии Московского метрополитена.
При строительстве подземных сооружений, возводимых способом щитовой проходки, применяется технология инъектирования за обделку сооружения с целью обеспечения устойчивости горной выработки в районе забоя щита при монтаже очередной секции обделки, а также для создания противофильтрационной завесы сооружения.
В настоящее время наибольшее распространение получили бентонитовые, цементно-бентонитовые растворы, а также растворы на основе гидравлической извести. При использовании данных растворов необходим тщательный подбор состава, поскольку при недостатке бентонита, как замедлителя схватывания раствор окажется непрокачиваемым, а при его избытке возникнет недостаток вяжущих свойств раствора, что увеличит водопроницаемость камня.
Таким образом, необходима разработка новых составов для инъектирования, обладающих более широким спектром действия, которые были бы не столь критичны к подбору состава, обеспечивали экономический и технологический эффект по сравнению с традиционными составами, обладали повышенными гидроизоляционными свойствами.
Анализ основных характеристик и составов применяемых растворов в отечественной и зарубежной практике хорошо представлен в итоговом отчете о научно-исследовательской работе «Разработка научно-методических основ по выбору компонентов для кондиционирования грунтов при скоростной проходке тоннелей метрополитена ТПМК с грунтопригрузом» под руководством д.т.н., профессора Б.И. Федунца, при непосредственном участии автора.
В ходе исследований, проведенных на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», проведен анализ существующих инъекционных составов, применяющихся при строительстве подземных сооружений.
На основании анализа приняты к разработке рецептуры на основе портландцемента и гидравлической извести. Параллельно проводилось изучение готовой тампонажной смеси БИРСС ТМ-2 (портландцемент, песок строительный, наполнители).
При выборе компонентов вяжущих, заполнителей и химически активных добавок учитывалась обеспеченность строительного комплекса г. Москвы данными материалами и экономические факторы.
Таким образом, осуществлялся подбор состава следующих систем:
- портландцемент – песок – бентонит – вода – зола-унос;
- гидравлическая известь – микрокремнезем – зола-унос – смесь пескового отсева – вода.
При разработке рецептур инъекционных растворов учитывались требования, диктуемые как технологией нагнетания, так и дальнейшей работой состава за обделкой. Исходя из этих условий, раствор должен быть высокоподвижным и сохранять свою прокачиваемость в течение не менее 24 ч, поскольку по технологии проходки раствор может оставаться в расходном бункере насоса и шлангах более 12 ч и при дальнейшем возобновлении работы не должен создавать пробок в системе и прихвата оборудования. Также раствор должен быть нерасслаиваемым, иметь фиксированное водоотделение (до 2 %) и быть однородным.
В то же время при давлении в 1 бар, создаваемом за обделкой при нагнетании и опрессовке раствор должен отдавать избыточное количество воды и образовывать плотную безусадочную структуру, имеющую начальную прочность и за счет этого поддерживать обделку в проектном положении и предотвращать ее возможные подвижки.
Указанные характеристики тампонажного раствора достигнуты при следующих соотношениях компонентов (на 1 м3 сухих материалов):
- Состав № 1
| Компонент | Содержание, кг |
| Гидравлическая известь | 90 |
| Микрокремнезем МК-85 | 30 |
| Зола-уноса | 300 |
| Мелкий заполнитель (Товарково) | 1360 |
| Вода | 360 |
- Состав № 2
| Компонент | Содержание, кг |
| Портландцемент | 75 |
| Бентонит | 20 |
| Зола-унос | 430 |
| Мелкий заполнитель (песок) | 1300 |
| Вода | 300 |
- Состав № 3
| Компонент | Содержание, кг |
| Сухая смесь для тампонажного раствора БИРСС ТМ-2 | 1560 |
| Вода | 425 |
Указанные составы являются базовыми и требуют корректировки для каждого конкретного объекта. Прокачиваемость смеси регулируется содержанием воды, прочность и сроки схватывания – содержанием цемента.
При разработке Технологического регламента на проходку ТПМК использовались результаты работ, в выполнении которой автор принимал непосредственное участие, а также результаты других научно-исследовательских работ в данной области, отечественный и зарубежный технологический опыт инъектирования.
В период с 3 по 30 апреля 2011 г. на участке правого перегонного тоннеля Калининской линии московского метрополитена от ст. «Новокосино» до ст. «Новогиреево» кольцо № 1687 (ПК 1434+40,216) были проведены экспериментальные работы по введению в гидроизоляционную тампонажную смесь пластифицирующих добавок (типа СЗ).
Указанные работы были направлены на улучшение качества тампонажной смеси:
- повышение удобоукладываемости,
- повышение водонепроницаемости, прочности и трещиностойкости.
В результате натурных экспериментальных исследований на строительстве участка ст. «Новогиреево» - ст. «Новокосино» Калининской линии Московского метрополитена установлено, что одним из важных обстоятельств, влияющих на величину осадок дневной поверхности при скоростной проходке тоннелей ТПМК, является используемая технология нагнетания тампонажного раствора за обделку тоннелей.
На основании натурных измерений установлено, что выбранный технологический регламент нагнетания тампонажного раствора за обделку тоннеля существенно влияет на величину осадок, возникающих на поверхности при проходке тоннелей.
Обоснованно необходимость совершенствования и разработки новых составов для инъектирования, обладающих широким спектром действия, не столь критичных к подбору состава и обеспечивающих экономический и технологический эффект по сравнению с традиционными составами.
Сформулированы следующие выводы по направлениям дальнейших исследований по совершенствованию безосадочных технологий при скоростной проходке тоннелей ТПМК, для этого необходимо:
- продолжить лабораторные исследования компонентов для тампонажного раствора;
- получить научно обоснованные рекомендации по новым составам для инъекционной гидроизоляции;
- дополнительно исследовать и обосновать усовершенствованные технологии первичного и вторичного нагнетания инъекционного раствора;
- разработать программно-математическое моделирование инженерных расчетов по оптимизации тампонажных процессов.
В четвертой главе приведены результаты теоретических исследований и натурных испытаний по оценке динамических воздействий на фундаменты зданий при строительстве тоннелей неглубокого заложения щитовым способом, предложена методика оценки пиковых значений скоростей с использованием теоремы взаимности и классификация повреждений зданий при динамических воздействиях.
Современные здания из стали и железобетона в меньшей мере чувствительны к вибрационным воздействиям. Старинные постройки: церкви, дворцы и другие сооружения, представляющие историческую ценность, могут быть повреждены, если вибрации фундаментов превысят опасный уровень. Поэтому при проходке тоннелей в исторической черте города необходимо уметь определять уровни воздействий на такие сооружения. Возникают проблемы, которые необходимо решать ещё на стадии проектирования:
- вибрации, создаваемые рабочими органами щита при разработке породы, которые могут передаваться фундаментам зданий, а в некоторых случаях вызывать разжижение грунтов,
- вибрации от подвижного состава, возникающие при эксплуатации тоннелей метро мелкого заложения.
Воздействия, создаваемые щитом можно отнести к воздействиям умеренной продолжительности и длительной продолжительности.
От источников вибраций в грунте распространяются волны напряжений, параметры которых не должны превышать критических величин. Ввиду того, что напряжения и скорости колебания частиц при распространении волн связаны простыми соотношениями:
и 
(15)
в нормах многих стран в качестве регламентируемых параметров используются «пиковые значения скоростей».
Эти параметры приняты в нормах: Великобритании (BS), Германии (DIN), Швейцарии (SN), США (USBM) и Калифорния (CALTRAN).
Отметим, что скорость продольной волны через модуль Юнга определяется выражением:
где 
(16)
Исследования показали, что кроме значения скорости важным параметром является так же частота колебаний. Эти частоты необходимо знать для оценки взаимодействия волн с фундаментами зданий.
Уровни вибраций в элементах зданиях зависят от конструкции зданий. Многими исследователями отмечено, что уровни вибраций на верхних этажах могут значительно превышать уровни колебаний фундаментов зданий. Поэтому для точной оценки воздействия вибраций на здания необходимо использовать какой-либо из программных комплексов.
В нормативных документах Европейских стран регламентируются пиковые значения амплитуд скоростей колебаний грунта на уровне фундаментов зданий. В дальнейшем для упрощения этот параметр будем PV.
В США и Англии значение PV для железобетонных конструкций ограничивается величиной 50 мм/с.
Для сооружений более чувствительных к вибрациям эти предельные параметры не должны превышать 4мм/с при частоте 4 Гц и могут возрастать до 20 мм/с при увеличении частоты до 15 Гц и до 50 мм/с при возрастании частот о15 Гц до 40 Гц.
Следует отметить и такой факт, что Калифорнийский департамент транспорта США и Лаборатория транспортных проблем (Англия), рекомендовали ограничивать предельные продолжительные внешние воздействия на исторические сооружения и памятники величиной PV=2мм/с.
Подобные требования приняты в Германии и Швейцарии. В соответствие с DIN4150 для продолжительных вибраций приняты следующие предельные значения скоростей колебаний частиц в горизонтальном направлении:
- 2,5 мм/сек для продолжительных вибраций,
- 3 мм/сек для частот 1-10 Гц для кратковременных вибраций,
- от 3 мм/сек при частоте 10 Гц до 8 мм/с при частоте 50 Гц,
- от 8 мм/сек при частоте 50 Гц до 10 мм/с при частоте 100 Гц.
На верхних этажах зданий величина PV ограничивается значением
8 мм/с.
В нормах Швейцарии (SN 640 312) рекомендуется ограничивать значения PV величиной 8мм/сек при частотах 10 Гц до 60 Гц и использовать предельные значения величинами от 8 мм/с до 12мм/с для частот от 60 Гц до и 90 Гц.
Следует отметить, что эти рекомендации разработаны для зданий, представляющих историческую ценность.
Отметим, что в российских нормативных документах отсутствует предельные значения PV и рекомендации по расчёту и оценки сооружений на динамические воздействия при проходке тоннелей, поэтому в диссертации предлагается классификация для оценки повреждений зданий при динамических воздействиях.
Методика определения уровней колебаний поверхности грунта с использованием теоремы взаимности. При определении уровней колебаний поверхности при щитовой проходке используется «Теорема взаимности» и известные решения о воздействии сосредоточенной силы на упругое полупространство. В этой главе так же используется теорема взаимности, в такой же формулировке, как и во второй главе.
Для определения динамических напряжений 
в грунте используется решение Miller, G.F.,H.Pursey о воздействии сосредоточенной гармонической силы на упругое полупространство.
Аппроксимируем продольную волну, создаваемую этой силой плоской волной с перемещениями, определяемыми выражением:
. (17)
Напряжения при распространении таких волн определяются следующей зависимостью:
. (18)
- амплитуда гармонической силы.
Радиальные перемещения контура при действии этих напряжений определяются выражением:
(19)
которое удобно преобразовать к виду, в которое входит отношение скорости распространения поперечных волн к скорости распространения продольных волн.
. (20)
Учитывая выражение (27), получим:
. (21)
В соответствие с теоремой взаимности вертикальные перемещения точки поверхности грунта, определяемое координатами 
и углом 
при действии вертикальной силы, приложенной к контуру полости, будет определяться выражением:
. (22)
Так как в нормативных документах регламентируется пиковое значение скорости, определим модуль производной функции перемещения по времени:
. (23)
Учитывая, что колебания передаются и поперечными волнами, можно используя аналогичный вывод, получить выражение, аналогичное уравнению (23) и для поперечных волн:
. (24)
Тогда пиковое значение скорости определяется выражением:
. (25)
Амплитудные значения силы F0, определяются по акселерограммам колебаний, записанных при работе щитового комплекса. Для этой цели записываются ускорения корпуса щита, вычисляется спектр колебаний и по спектру определяется доминирующая гармоника.
Ниже приводятся пример акселерограммы колебаний щита и модуль преобразование Фурье этой акселерограммы, полученной при проходке линии Новокосино.
Рисунок 12 - Акселерограмма и спектр вертикальных колебаний оболочки щита
При глубине заложения тоннеля 20 метров щит диаметром 6.28 метра будет создавать колебания на поверхности грунта, с пиковыми скоростями, равными 72 мм/сек. Такой уровень вибраций для многих сооружений не допустим. Величина этих пиковых скоростей существенно зависит от грунтов, в которых ведётся проходка и глубины заложения тоннеля.
В качестве примера при определении пиковых скоростей колебаний поверхности грунта использовались параметры, соответствующие мягким глинам.
ВЫВОДЫ
- В выполненной диссертационной работе получен и обоснован ряд новых научно-технических положений, связанных с развитием
безосадочных технологий при скоростной проходке тоннелей метрополитенов. - Щитовой способ проходки тоннелей является одним из наиболее прогрессивных и универсальных для строительства тоннелей метрополитенов, так как позволяет осуществлять это
строительство с высокой скоростью, в различных геологических условиях, в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений. - Основным расчетным требованием при проектировании проходки тоннелей является ограничение движения грунта до такой степени,
чтобы ущерб от него подземным и наземным сооружениям был бы минимальным или исключен полностью. - Для обеспечения безосадачной проходки в рамках данной работы решены следующие задачи:
- проведен анализ существующих способов оценок и предотвращения осадок дневной поверхности при щитовой проходке тоннелей;
- выполнены исследования конструктивных и технологических особенностей современных ТПМК, обуславливающих безосадочную проходку тоннелей;
- проведены исследования эмпирических и аналитических методов оценки осадок, проведение лабораторных исследований, а также
натурных экспериментальных исследований на строительстве участков Московского метрополитена; - разработаны научно-инженерные методические рекомендаций по оптимизации составов и технологии инъектирования тампонажного раствора в заобделочное пространство.
- Осадки и вибрации, возникающие при проходке тоннелей неглубокого заложения в условиях городской застройки поверхности
грунта могут повредить здания, представляющие историческую ценность. - Воздействия при щитовой проходке при продолжительном воздействии могут не только ввести сооружений в состояние резонанса,
но вызвать разжижение грунтов и привести к неравномерным осадкам. - Для оценки динамических воздействий необходимо использовать критерии оценки повреждаемости зданий, как это принято во многих европейских нормах. В качестве регламентируемых параметров можно использовать пиковые значения скоростей колебаний частиц грунта у фундаментов сооружений.
- В качестве ориентировочных пиковых значений скоростей колебаний грунта предлагаются допускаемые конкретные значения для конструкций, выполненных из разных материалов (стали, бетона, каменной кладки и т.д)
- Для оценки риска повреждения зданий из-за осадок поверхности грунта при щитовой проходке на предварительной стадии проектирования можно использовать упрощенные формулы, полученные автором с использованием «теоремы взаимности».
- Автором предлагается проект классификации возможных повреждений зданий при щитовой проходке тоннелей.
- На основании анализа параметров и конструктивных особенностей современных ТПМК с активным пригрузом установлено, что технология гидропригруза более эффективна в противодействии осадкам грунта, чем технология грунтопригруза. В связи с этим проведена оптимизация тампонажных процессов с учетом распространения скоростных проходческих щитов, особенно оказывающих усиленное геомеханическое воздействие на грунтовый массив (грунтопригруз).
- В работе обосновано, что для предотвращения осадок дневной поверхности при щитовой проходке тоннелей требуется осуществление непрерывного контроля за состоянием системы «грунтовый массив - обделка» и предложены методы этого контроля.
- В работе установлено, что материалы для инъектирования в заобделочное пространство (бентонит, гидравлическая известь и др.) в целом достаточно эффективны, однако в различных горно-геологических условиях, на разных глубинах, при разных диаметрах щитов и др. допускают отклонения от заданных параметров и ожидаемых результатов. В связи с этим в работе поставлена и решена задача совершенствования и разработки новых составов для инъектирования, обладающих более широким спектром действия, которые являются не столь критичными к подбору состава, обеспечивают экономический и технологический эффект по сравнению с традиционными составами, обладают повышенными гидроизоляционными свойствами. В работе также произведены исследования и обоснована усовершенствованная технология первичного и вторичного нагнетания инъекционного раствора.
- Выше изложенные положения подтверждены лабораторными и натурными исследованиями и испытаниями. Произведена оценка соответствия нормативным требованиям по уровням вибраций и исключению осадок дневной поверхности за счет совершенствования тампонажных процессов.
- По результатам проведенных мероприятий разработан «Регламент по нагнетанию тампонажных растворов в заблочное пространство», согласованный ведущей строительной организацией.
- При этом, исследования и разработки в области совершенствования безосадочных технологий при скоростной проходке тоннелей метрополитенов не завершены, наоборот, настоящая работа внесла лишь незначительный вклад в решение данной крупной научно-практической проблемы и планируется продолжить научную работу в этой области уже за рамками настоящей диссертации.
Публикации по теме диссертационной работы
- Елгаев В.С. Оценка возможных повреждений зданий в результате осадок поверхности грунта при проходке тоннелей неглубокого заложения щитовым способом, Москва, «Инженерная геология»», 2012, с.56-67.
- Елгаев В.С., Курбацкий Е.Н., Воздействия на здания при проходке тоннелей, Москва, «Мир транспорта», №2, 2012, с.162-167.
- Елгаев В.С. Обеспечение безосадочной технологии проходки тоннелей на строительстве участка ст. «Новокосино» - «Новогиреево» в Москве, Москва, «Метро и тоннели», №3, 2012, с.37.
- Елгаев В.С., Курбацкий Е.Н., Титов Е.Ю. Оценка воздействий на окружающую среду при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. Труды международной научно-технической конференции Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов», Москва, 2011, с.74-75.
- Елгаев В.С., Курбацкий Е.Н., Титов Е.Ю. Оценка воздействий на окружающую среду при строительстве тоннелей. Доклады международной конференции «Аналитические методы расчета инженерных конструкций», Тула: Изд-во ТулГУ, 2012, с.16-20.
Елгаев Всеволод Сергеевич
Обеспечения безопасности зданий при скоростной проходке тоннелей щитовым способом.
Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты,
подземные сооружения
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
__________________________________________________________
Подписано к печати Формат 60х80 1/16
Объем 1,5 п.л. Заказ Тираж _80_ экз.
__________________________________________________________
УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
