«ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СООРУЖЕНИИ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

Новоженин Сергей Юрьевич

ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД

ПРИ СООРУЖЕНИИ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА

ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ

КОМПЛЕКСАМИ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Е.М.Волохов Санкт-Петербург –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССА

СДВИЖЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ........... 1.1 Строительство эскалаторных тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами. Состояние и перспективы развития............ 1.2 Инженерно-геологические условия использования тоннелепроходческих механизированных комплексов

1.3 Особенности технологии проходки с точки зрения воздействия на массив и развития деформационных процессов

1.4 Вредное влияние горных работ на здания и сооружения

1.5 Существующие методы оценки сдвижений и деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ.............. 2.1 Существующие методы мониторинга деформаций

2.2 Натурные данные, полученные по результатам наблюдений за процессом сдвижения по грунтовым и стенным реперам

2.3 Скважинный мониторинг

2.4 Анализ результатов натурных наблюдений

2.5 Обоснование новых способов мониторинга

2.5.1 Мониторинг с использованием роботизированных систем

2.5.2 Рекомендации по проведению скважинного мониторинга подрабатываемого массива

2.5.3 Рекомендации по проведению мониторинга оседаний по грунтовым реперам

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ. АНАЛИЗ

ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Существующие методы математического моделирования. Обоснование использования метода конечных элементов

3.2 Метод конечных элементов. Теория, использование, перспективы............... 3.3 Особенности моделирования эскалаторных тоннелей

3.4 Анализ факторов, определяющих деформационные процессы

3.5 Моделирование проходки эскалаторных тоннелей

3.5 Анализ данных моделирования и выявление основных закономерностей... 3.5.1 Распределение сдвижений и деформаций в массиве

3.5.2 Анализ сдвижений и деформаций на поверхности

3.5.3 Факторы, обеспечивающие активацию деформационных процессов.........

ГЛАВА 4 ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К

ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

4.1 Оценка границ зоны влияния горных работ

4.1.1 Выбор граничного критерия

4.1.2 Определение зоны влияния

4.2 Прогнозная оценка сдвижений и деформаций

4.2.1 Положение точки максимального оседания в мульде сдвижения.......... 4.2.2 Определение размера полумульды

4.2.3 Оценка величины максимального оседания

4.2.4 Распределение сдвижений в мульде

4.2.5 Распределение деформаций в мульде

Санкт-Петербурга

4.3 Апробация методики на объектах – сравнение прогнозной методики и натурных данных

4.3.1 Сравнение прогнозной методики и данных, полученных по результатам натурных наблюдений эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская». 4.3.2. Сравнение прогнозной методики и данных, полученных по результатам натурных наблюдений эскалаторного тоннеля станции «Спасская».............. 4.3.3 Сравнение прогнозной методики и данных, полученных по результатам натурных наблюдений эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал». 4.4 Обоснование мероприятий для снижения вредного влияния

4.4.1. Обоснование грунтозакрепления

4.4.2 Оценка эффективности грунтозакрепления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований В настоящее время размещение объектов транспортной сети мегаполисов исключительно на земной поверхности не представляется возможным. Освоение подземного пространства, в свою очередь, невозможно без решения проблемы охраны зданий и сооружений от вредного влияния горных работ. Применение современных технологий в подземном строительстве позволило существенно сократить уровень сдвижений и деформаций массива горных пород, однако полностью исключить вредное воздействие горных работ оно не позволяет.

В последние годы в практику подземного строительства в Москве и СанктПетербурге впервые в мире внедрена новая технология проходки эскалаторных тоннелей механизированными комплексами с пригрузом забоя (ТПМК), позволяющая существенно сократить оседания на поверхности. Однако, как показали натурные наблюдения, даже в таких условиях на земной поверхности образуются деформации, опасные для зданий и сооружений, причем их уровень существенно варьируется от тоннеля к тоннелю. Несмотря на широкий спектр используемых натурных методов исследований сдвижений, к которым относятся и скважинные наблюдения, они не позволяют оценить картину развития геомеханических процессов в целом и построить достоверную методику прогноза деформаций.

Существующие в настоящее время методики прогнозного расчета сдвижений и деформаций при строительстве тоннелей, как правило, оперируют горизонтальными выработками. Немногочисленные работы, посвященные оценке сдвижений при строительстве эскалаторных тоннелей, сооружаемых в неустойчивых четвертичных породах, в основном связаны с технологией искусственного замораживания грунтов и характеризуются низкой достоверностью. Кроме того, для условий Санкт-Петербурга, где вопросы охраны зданий в историческом центре особенно актуальны, до сих пор отсутствует нормативный документ, регламентирующий вопросы оценки вредного влияния при проходке эскалаторных тоннелей.

Значительный вклад в изучение вопросов оценки сдвижений горных пород при ведении подземных горных работ внесли работы С.Г.Авершина, А.Г.Акимова, М.А.Иофиса, Д.А.Казаковского, Г.Кратча, С.П.Колбенкова, Р.А.Муллера, В.Н.Гусева и др. Среди трудов, посвященных исследованиям этих вопросов в области тоннелестроения, необходимо отметить работы Ю.А.Лиманова, В.Ф.Подакова, С.Н.Сильвестрова, М.В.Долгих, Е.М.Волохова, В.П.Хуцкого и др. В области математического моделирования сдвижений и деформаций горных пород при проходке горных выработок следует выделить работы Б.З.Амусина, О.Зенкевича, М.Г.Мустафина, Д.В.Панфилова, А.Б.Фадеева, В.В.Чеботаева и др.

геомеханических процессов, задача разработки прогнозных методов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов на сегодняшний день не решена, и поэтому является актуальной.

Цель работы: повышение эффективности мероприятий по защите зданий и сооружений от вредного влияния горных работ при строительстве эскалаторных тоннелей на основе разработки нового метода прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности.

Идея работы заключается в комплексном использовании натурных данных и математического моделирования геомеханических процессов для выявления закономерностей и обоснования методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород.

Задачи исследований:

метрополитена на использование ТПМК с пригрузом забоя;

- изучение существующих методов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве тоннелей;

- сбор, анализ и обобщение данных натурных исследований процесса сдвижений и деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием ТПМК;

геомеханических процессов на основе численных методов для выявления основных закономерностей развития сдвижений на качественном уровне;

- совместная комплексная обработка данных натурных исследований и математического моделирования для верификации моделей и построения количественных зависимостей;

- разработка инженерной методики расчета ожидаемых сдвижений земной поверхности при строительстве новых эскалаторных тоннелей;

- обоснование эффективных способов деформационного мониторинга горных пород, зданий и сооружений при сооружении эскалаторных тоннелей.

Научная новизна работы 1. Выявлены закономерности возникновения и развития сдвижений и деформаций в массиве горных пород при сооружении эскалаторных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.

2. Определены закономерности распределения сдвижений и деформаций в пределах мульды сдвижения на земной поверхности и предложены типовые аналитические функции, описывающие сдвижения в главных сечениях мульды.

3. Выявлена и описана зависимость оседаний земной поверхности от сдвижений пород вблизи контура выработки, позволяющая рассчитывать максимальное оседание в мульдах.

4. Предложены граничные критерии при определении зоны влияния горных работ на поверхности, определены граничные углы и выявлены закономерности их изменения в разных горно-геологических условиях.

5. Теоретически обоснованы новые варианты снижения оседаний поверхности, основанные на использовании технологий грунтозакрепления.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Размер зоны влияния сооружения эскалаторного тоннеля определяется геометрическими характеристиками горно-геологических условий и слабо зависит от физико-механических свойств пород, слагающих массив. Границы мульды сдвижения могут быть установлены на основе граничных углов как функций мощности четвертичных отложений.

2. Достоверный прогноз сдвижений земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей механизированными комплексами обеспечивается применением метода типовых кривых. Мульда сдвижения в главном поперечном сечении может быть описана показательно-степенной функцией.

3. В грунтовом массиве можно выделить приповерхностную зону, где вертикальные деформации растяжения практически отсутствуют. Эффективным способом снижения оседаний над тоннелем является применение методов грунтозакрепления в зоне проходки ниже указанной приповерхностной толщи.

Методы исследований При выполнении диссертационной работы использовались теоретические методы механики сплошных сред; математическое моделирование геомеханических процессов от проходки эскалаторных тоннелей механизированным способом на основе метода конечных элементов (МКЭ); методы математической статистики для обработки и обобщения результатов численного моделирования (методы наименьших квадратов, тренданализа).

Практическая значимость 1. Полученные в работе граничные критерии и углы влияния (граничные углы) позволяют просто и достоверно определять зону влияния горных работ на поверхности, как на стадии проектирования в прогнозной оценке вредного влияния на здания и сооружения, так и в процессе строительства эскалаторных тоннелей при оценке возможного ущерба от подработки.

2. Предлагаемая прогнозная методика, основанная на использовании типовых кривых, позволяет обоснованно получать величины сдвижений и деформаций на земной поверхности, производить количественную оценку влияния строительства эскалаторных тоннелей на здания и сооружения и обосновывать меры их защиты.

3. Разработанные рекомендации по организации мониторинга деформаций породного массива и земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей позволят повысить безопасность эксплуатации здания и сооружения при их подработке эскалаторными тоннелями.

Апробация работы Результаты исследований докладывались на международном форумеконкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, СПГГУ, апрель 2011 г.), международной научно-практической конференции «Современные проблемы геомеханики, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г.

Санкт-Петербург, СПГГУ, октябрь 2011 г.), на всероссийской научнопрактической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (г. Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», октябрь 2012 г.), на ХХI форуме «Неделя горняка-2013» (г.

Москва, МГГУ, январь 2013 г.), на ХV Международном маркшейдерском конгрессе (г. Аахен, Германия, сентябрь 2013 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного университета (2011-2014 г.).

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 6 публикациях, из них 4 в журналах, включённых в перечень ведущих научных изданий ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, создании и обработке данных численных моделей, по которым производилось исследование геомеханических процессов при механизированной проходке эскалаторных тоннелей; обработке и анализе данных натурных наблюдений за процессом сдвижения при строительстве эскалаторных тоннелей; обосновании функциональных зависимостей параметров мульды от горно-геологических условий проходки эскалаторных тоннелей; разработке методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей.

Реализация результатов работы 1. Внедрение в практику прогнозных оценок сдвижений и деформаций, выполняемых ЗАО «ВНИИ Галургии», ОАО «Ленметрогипротранс», ОАО «Метрострой».

2. Указанные методы прогноза сдвижений и деформаций, а также оценки их вредного влияния на здания и сооружения планируется использовать при разработке новых нормативных документов, регламентирующих охрану зданий и сооружений в условиях подъема подземного строительства в Санкт-Петербурге.

3. Внедрение в учебный процесс подготовки специалистов, обучающихся по специализации «Маркшейдерское дело».

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит главы, введение, заключение, библиографический список из 115 наименований. В работе 68 рисунков и 10 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю доценту кафедры маркшейдерского дела Национального минерально-сырьевого университета «Горный» Е.М.Волохову за всестороннюю помощь при подготовке и проведении исследований по теме диссертации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приведены защищаемые научные положения, изложены научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе рассмотрены проблемы оценки сдвижений и деформаций горных пород и вредного влияния горных работ при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов.

Изложены и проанализированы существующие методы прогнозной оценки сдвижений и деформаций.

Во второй главе описаны и проанализированы методы натурных исследований процесса сдвижения. Приведены данные, характеризующие процесс сдвижения на поверхности и в породном массиве для построенных тоннелей.

Произведен анализ натурных данных, получены аналитические зависимости для оценки сдвижений в рамках метода типовых кривых. Представлено обоснование новых способов мониторинга процесса сдвижения при строительстве эскалаторных тоннелей.

Третья глава посвящена моделированию геомеханических процессов при проходке эскалаторных тоннелей. Дано обоснование и рассмотрены принципы применения метода конечных элементов для оценки сдвижений горных пород.

Приведены результаты моделирования и выявлены закономерности развития сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности.

В четвертой главе рассмотрена количественная оценка показателей процессов сдвижений и деформаций. На основе данных натурных исследований и моделирования дано комплексное обоснование применения метода типовых кривых. Получены зависимости для описания геомеханических процессов в породном массиве и на поверхности. Обоснована прогнозная методика расчета сдвижений и деформаций на земной поверхности для горно-геологических условий проходки эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССА

СДВИЖЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

1.1 Строительство эскалаторных тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами. Состояние и перспективы развития Главными сооружениями для соединения станций глубокого заложения с поверхностью или подуличными переходами являются эскалаторные тоннели.

Эскалаторный тоннель – важнейшая часть комплекса эскалаторного подъема, состоящего из нескольких сооружений [41]. Ось эскалаторного тоннеля располагается под углом 30° к горизонту. Общий вид эскалаторного комплекса представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Эскалаторный комплекс: 1 – эскалаторный тоннель, 2 – натяжная камера, 3 – приводная станция, 4 – нижний оголовок эскалаторного тоннеля, 5 – верхний оголовок эскалаторного тоннеля Эскалаторный тоннель соединяется с натяжной камерой и приводной станцией (машинным помещением) через верхний и нижний оголовок соответственно [14]. В эскалаторном тоннеле обычно располагают 3 или эскалатора, которые должны соответствовать требованиям [72].

тоннелепроходческих механизированных комплексов – новое слово в мировой практике подземного строительства. Первая пробная механизированная проходка наклонного хода была произведена в Москве (эскалаторный тоннель - второй выход станции «Марьина роща») [101]. Затем в Санкт-Петербурге были построены эскалаторные тоннели станций «Обводный канал», «Адмиралтейская», «Спасская». Применение тоннелепроходческих комплексов с грунтопригрузом осуществлять малоосадочную проходку в слабых обводненных грунтах [59, 60, 83].

Традиционный способ строительства эскалаторных тоннелей – проходка с замораживанием грунтов. В этом случае при создании ледопородного ограждения и последующем оттаивании существенно изменяется геомеханическое состояние массива, что приводит к интенсивному развитию сдвижений и деформаций. Во время проходки существенных изменений в мульде не происходит. Такая технология применяется в настоящее время в тех случаях, когда строительство ведется на малозастроенных территориях. Так, технология проходки в замороженных грунтах используется в настоящее время при строительстве эскалаторного тоннеля станции «Проспект Славы» Фрунзенского радиуса метрополитена Санкт-Петербурга.

Использование тоннелепроходческих механизированных комплексов дает возможность снизить влияние горных работ на грунтовый массив, а значит, и на земную поверхность [52-56, 62]. К достоинствам новой технологии относятся также и высокие темпы проходки наклонного тоннеля. В числе наиболее серьезных недостатков следует упомянуть высокую стоимость строительства и необходимость выполнения ряда вспомогательных работ (строительство стартового котлована, монтаж-демонтаж ТПМК, сооружение шпунтового ограждения и т.д.).

В случаях, когда на земной поверхности в зону влияния попадают объекты застройки, а также в случаях сложной горно-геологической ситуации применение тоннелепроходческого механизированного комплекса является необходимым условием. Тоннелепроходческие механизированные комплексы планируется использовать для строительства проектируемых в настоящее время эскалаторных тоннелей станций Санкт-Петербургского метрополитена «Приморская», «Василеостровская», «Театральная».

1.2 Инженерно-геологические условия использования тоннелепроходческих Как было сказано выше, применение ТПМК целесообразно в условиях слабых обводненных грунтов, слагающих участок строительства [105]. Основная часть эмпирических данных, характеризующих условия проходки, набрана на объектах Санкт-Петербурга, поэтому более подробно рассмотрены примеры геологического строения грунтового массива в условиях Санкт-Петербурга.

В геологическом строении территории Санкт-Петербурга принимают участие породы фундамента (граниты, гнейсы и мигматиты архея и протерозоя), на которых залегают осадочные отложения венда и перекрывающий их комплекс четвертичных грунтов. Котлинский горизонт венда состоит из двух подсвит:

нижнекотлинской и верхнекотлинской. Нижнекотлинская подсвита сложена песчано-алевритовыми разностями с прослоями глин и аргиллитов, а в нижней части - с прослоями гравелитовых песчаников и конгломератов (гдовский горизонт).

Верхнекотлинская подсвита сложена аргиллитоподобными глинами с тонкой горизонтальной слоистостью с глинисто-мергелистыми прослоями, мощностью 1-4 см и редко с прослойками песчаников мощностью 1-10 см.

Комплекс четвертичных отложений, перекрывающий коренные породы, представлен песчано-глинистыми осадками морского, озерно-ледникового генезиса и валунными суглинками ледникового генезиса.

На территории широко развита гидрографическая сеть. Подземные воды приурочены к песчаным слоям морских и озерно-ледниковых отложений и единичным линзам внутри моренных суглинков. Суммарная мощность обводненных грунтов достигает первых метров, в среднем до 10 м. Горизонт безнапорный со свободной водной поверхностью на глубине от 2 до 3 м, в редких случаях с незначительным напором до 8-10 м. Воды от пресных (0.5-0.6 г/л) до слабоминерализованных при загрязнении (до 3.1 г/л). Воды слабоагрессивные к бетону нормальной проницаемости по водородному показателю, содержанию агрессивной углекислоты и сульфатов, слабоагрессивные к арматуре по содержанию хлора. Воды в коренных отложениях верхнекотлинской подсвиты не агрессивные к бетону нормальной плотности.

Инженерно-геологические условия проходки эскалаторных тоннелей характеризуются большой мощностью четвертичных отложений (первые десятки метров). Эта толща представлена техногенными отложениями, песками, супесями, суглинками и глинами. Указанные слои значительно отличаются по физикомеханическим свойствам [8, 10]. Анализ геологических разрезов участков строительства трех эскалаторных тоннелей показал, что в толще четвертичных пород встречаются прослойки суглинка с пониженным модулем деформации (относительно близлежащих слоев). Важнейшие положения механики горных пород рассмотрены в работах [9, 26, 89, 100, 113]. Подстилающая их толща протерозойских пород имеет верхний переходный слой т. н. перемятых глин, который характеризуется большим значением модуля деформации, чем у покрывающих слоев, и меньшим, чем у подстилающих. Мощности слоев четвертичной и протерозойской толщи относительно выдержаны, контакты слоев практически горизонтальны. Характеризуя механические свойства пород четвертичного возраста в целом, важно отметить, что прочностные и деформационные характеристики по инженерно-геологическим элементам (ИГЭ) варьируются в широких пределах.

Важным моментом в оценке расчетных значений физико-механических свойств грунтов является их статистическая достоверность. Согласно положениям ГОСТ 20522-96 [103], объединение слоев в инженерно-геологические элементы и оценка полученных усредненных свойств должны осуществляться на основе статистических критериев. Ключевым показателем здесь выступает коэффициент вариации, который для механических свойств принят равным 0.30. Для разных серий испытаний и величины доверительной вероятности относительный показатель точности для этих свойств может составлять от 0.03-0.04 (при большой выборке и малой доверительной вероятности) до 0.30-0.78 (при малой доверительной вероятности в 0.95 точность характеристик может колебаться от 3% до 40%. Следовательно, исходные данные по физико-механическим свойствам пород для проведения расчетов изначально характеризуются существенными погрешностями.

Методы проведения испытаний для определения физических, прочностных и деформационных свойств грунтов регламентируются требованиями ГОСТ 12248-96, ГОСТ 5180–84 [102, 106].

Угол внутреннего трения, удельное сцепление с для песков (кроме устанавливают по результатам испытания грунта методом одноплоскостного фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Для глинистых грунтов по специальному заданию может быть проведен повторный срез образца по фиксированной плоскости - срез «плашка по плашке».

сцепление с для песков, глинистых, органо-минеральных грунтов определяют методом трехосного сжатия. Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения. Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки и изменения деформаций во времени.

Модуль деформации Е для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести IL >0,25, супесей и суглинков, определяют методом компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Предел прочности на одноосное сжатие R для водонасыщенных глинистых грунтов производится методом одноосного сжатия. Предел прочности на одноосное сжатие определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.

Следует отметить, что некоторые деформационные характеристики (модуль деформации) определяются косвенными методами по таблицам [74].

характеризующего различие в поведении образца грунта к поведению грунта в массиве. Влияние масштабного фактора сложно учесть при определении характеристик грунтов и горных пород.

1.3 Особенности технологии проходки с точки зрения воздействия на массив Сооружение эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге производится с использованием щитового тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) S-441 фирмы «Херренкнехт»[87]. Этот ТПМК разработан специально для нового в отечественной практике щитового способа строительства эскалаторных тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга.

Применение щитовых комплексов рассмотрено в работах и документах [51, 57, 80-82, 94, 95]. Головной агрегат комплекса относится к категории роторных щитовых машин, характеризующихся применением активного грунтопригруза («Earth Pressure Balance shield» - щит с компенсацией давления горных пород).

Диаметр бурения роторным рабочим органом составляет 10720 мм. Диаметр головной секции щита 10690 мм, средней секции 10670 мм, хвостовой – 10660 мм.

Область применения данного ТПМК – строительство эскалаторных тоннелей метрополитена в водонасыщенных неустойчивых и слабоустойчивых песчаноглинистых грунтах с коэффициентом крепости по Протодьяконову f=0,6-2, в том числе содержащим валуны. Кроме того, возможна проходка в полускальных грунтах с коэффициентом крепости f=2-4 (известняки, мергели, доломиты).

Принцип действия ТПМК, который позволяет обеспечивать надежную и безаварийную проходку эскалаторных тоннелей в штатном режиме, основан на удержании забоя в стабильном состоянии при его разработке. Это реализуется созданием со стороны щита активного грунтового пригруза, воспринимающего действующее давление водонасыщенного неустойчивого грунта. В качестве пригруза используется отделяемый от породного массива грунт, находящийся в призабойной герметически изолированной головной камере щита. Грунт в камере превращается в подвижную, связную и однородную массу путем кондиционирования с помощью подаваемых компонентов: пены, пластифицирующих и стабилизирующих материалов.

При применении технологии грунтового пригруза одновременно с разработкой забоя, продвижением щита и выдачей грунтовой массы из призабойного пространства поддерживается требуемое давление пригруза в приемной камере. Этот консолидированный процесс осуществляется с использованием щитового шнекового транспортера.

Головным проходческим агрегатом ТПМК является механизированный щит с роторным рабочим органом и активным грунтовым пригрузом забоя. Важной особенностью грунтопригруза является сохранение традиционной системы выдачи разработанного грунта в виде пластичной грунтовой массы, пригодной для перевозки с помощью колесного транспорта. В этом заключается существенное преимущество по сравнению с применением гидропригруза забоя, требующим наличия сепарационного завода.

Конструктивное устройство щита ТПМК предусматривает возведение новой для эскалаторных тоннелей универсальной водонепроницаемой обделки из сборных железобетонных высокоточных блоков с герметическими упругими прокладками в стыках. Наружный диаметр обделки составляет 10400 мм, внутренний – 9400 мм.

ТПМК оснащен уникальной многофункциональной автоматизированной навигационной лазерной системой, позволяющей осуществлять ведение щита в заданном направлении. При этом возможно плавное выправление отклонений комплекса посредством автоматического расчета опережающей корректирующей кривой движения щита. Кроме того, система обеспечивает задание проектного положения монтируемого кольца клиновой обделки с учетом текущего пространственного положения щита.

Тоннелепроходческий механизированный комплекс состоит из двух основных частей: проходческого щита и технологической тележки (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Тоннелепроходческий механизированный комплекс (Общий вид): 1-механизированный щит, 2 – технологическая тележка.

Устройство тоннелепроходческого механизированного щита показано на рисунке 1.3. Корпус щита состоит из трех секций: головной секции с приемной призабойной камерой, где расположен роторный рабочий орган с главным приводом; средней секции с системой щитовых домкратов; хвостовой секции, внутри которой монтируется очередное кольцо тоннельной обделки.

Рисунок 1.3 – Механизированный роторный щит ТПМК S-441 с грунтовым пригрузом: 1 - главный привод; 2 - гидродомкрат артикуляции; 3 - шлюзовый аппарат для обеспечения доступа в призабойную камеру; 4 - щитовой домкрат; 5 корпус с хвостовой оболочкой; 6 - щеточное уплотнение; 7 - шнековый транспортер; 8 - захват блокоукладчика; 9 - блокоукладчик; 10 - дренажный насос;

11- шарнирная опора шнека; 12 - приемная камера; 13 - роторный рабочий орган Головная и средняя секции соединены между собой телескопически, и первая выдвигается относительно второй при помощи домкратов артикуляции ротора. Средняя секция является основной несущей конструкцией щита. В ней размещаются 22 щитовых домкрата и опорные кольца. В переднем торце секции устроены шарнирные опоры домкратов артикуляции. Хвостовая секция (оболочка) снабжена трехрядным щеточным уплотнителем строительного зазора, а также разводкой трубопроводов для нагнетания консистентной смазки в кольцевое пространство между щетками. В хвостовой оболочке обеспечивается монтаж кольца обделки соосно с корпусом щита. Щеточное уплотнение строительного зазора предотвращает риски прорыва в щит разжиженного грунта под действием гидростатического давления подземных вод. На хвостовой оболочке также размещены трубопроводы нагнетания тампонажного раствора в заобделочное пространство непосредственно за кромкой оболочки в процессе передвижения щита.

Важной составной частью конструкции тоннелепроходческого механизированного комплекса являются:

а) система нагнетания тампонажного двухкомпонентного раствора через хвостовую оболочку за обделку с соответствующим комплектом оборудования;

б) система кондиционирования разрабатываемого грунта, обеспечивающая подготовку, транспортировку и нагнетание под расчетным давлением пенного раствора со стабилизирующим полимером в приемную камеру щита и внутрь кожуха шнекового транспортера с целью создания и поддержания активного пригруза путем пластифицирования грунтовой массы.

Технологический процесс сооружения наклонного хода станции метрополитена включает две основные производственные функции:

- Механизированная разработка грунтового забоя с выдачей грунта на поверхность. Этот процесс в основном и определяет темп производства работ.

- Монтаж сборной железобетонной водонепроницаемой обделки.

С точки зрения оценки влияния тоннелепроходческих работ на земную поверхность необходимо выделить наиболее значимые факторы.

Для оценки полных составляющих сдвижений породного массива в зоне, непосредственно прилегающей к контуру выработки, в них можно выделить пять групп составляющих (рисунок 1.4) по стадиям влияния проходки:

- сдвижения в зоне перед забоем выработки (u1);

- сдвижения в зоне воздействия ротора на горные породы (u2);

- сдвижения, проявляющиеся в зоне оболочки ТПМК (u3);

- сдвижения в зоне нагнетания раствора в заобделочное пространство (u4);

- сдвижения в зоне закрепленной выработки и при деформации крепи (u5).

Рисунок 1.4 – Схема развития процессов сдвижений по группам Для суммарных сдвижений по контуру выработки на момент окончания деформационных процессов можно записать:

К первой группе относятся сдвижения, проявляющиеся перед движущимся забоем. Такие сдвижения часто фиксируются при натурных наблюдениях на поверхности и характеризуются малыми значениями (в пределах первых миллиметров) и плавным распределением вдоль оси тоннеля. Механизм их возникновения связан с образованием зон деформаций сжатия, возникающих перед забоем тоннеля, зоны дополнительных деформаций растяжения над забоем и конвергенции пород контура выработки в призабойной зоне, включая и сам забой. В случае применения активного пригруза эти сдвижения проявляются в меньшей степени и иногда могут менять знак на противоположный, проявляясь в виде пучения земной поверхности (при больших значениях пригруза). Таким образом, возможны два неблагоприятных варианта: недостаточное давление на забой и повышенное давление грунтопригруза.

Первый вариант (недостаточное давление грунтопригруза) состоит в том, что в процессе проходки массив не сможет удерживаться над забоем, и грунт с избытком непрерывно будет забираться в призабойную камеру. Перерасход смеси, нагнетаемой в заобделочное пространство, может свидетельствовать о переборе грунта ротором. При переборе грунта ТПМК происходит увеличение размера мульды сдвижения на поверхности. Также возможно появление значительных вертикальных сдвижений над осью тоннеля в массиве горных пород и на поверхности.

Второй вариант (повышенное опорное давление на забой) может обеспечить недобор грунта. В этом случае перед щитом образуется «грунтовая пробка», которую щит в процессе проходки толкает перед собой. Этот эффект при ведении щита на небольшой глубине может привести к выпору на земной поверхности и возможному повреждению зданий и сооружений. На больших глубинах завышенное давление на забой приводит к увеличению лобового сопротивления щита, что может повлечь за собой повреждение железобетонной обделки тоннеля.

Таким образом, особенно важным становится поддержание адекватной величины пригруза забоя, которое обеспечит устойчивость грунтов забоя и исключит перебор грунтовой массы. Для этого необходимо обеспечение проектной скорости проходки, управление количеством выбираемого грунта, процессом добавления кондиционирующих примесей. Быстрая проходка тоннеля, как правило, не создает условий для развития интенсивных деформаций массива.

В случае вынужденной остановки проходки, для того, чтобы не допустить перебора грунта, необходимо останавливать разработку и отбор грунта.

Дополнительной трудностью является то, что показания датчиков давления, встроенных в герметическую перегородку головной секции щита, могут регистрировать большой разброс давлений в камере, затрудняющих выбор требуемого уровня давления грунтопригруза. Уже на первых метрах проходки следует выявлять необходимость корректировки пригруза по показаниям датчиков с приведением их в соответствие с диаграммой пригруза.

Вторая группа сдвижений может проявляться и развиваться над зоной ротора даже при остановке ТПМК. Они возникают вследствие конвергенции пород в той части призабойной зоны, где рабочий орган срезает все новые слои грунта. Так, при компенсации пригрузом горизонтальной составляющей горного давления (~Н) по верхнему контуру выработки (над вращающимся ротором) должно проявляться сдвижение пород в призабойную зону из-за недокомпенсации вертикальной составляющей (~Н), которая больше по абсолютному значению. Описанный эффект проявляется в том, что вдавливаемый сверху грунт перемалывается ротором и поступает в призабойную камеру.

Третья группа сдвижений проявляется в зоне нахождения щита ТПМК. Как было показано ранее, диаметр резания (ротора) несколько больше диаметра оболочки щита ТПМК, который также уменьшается к хвостовой его части. Если не компенсировать влияние горного давления, то породы по контуру, разработанному ротором, должны «садиться» на оболочку щита. Величина смещений в этом случае не может превышать разницы в радиусах роторного рабочего органа и хвостовой оболочки щита (величины в 30 мм).

Четвертая группа сдвижений проявляется за пределами щита ТПМК и связана с конвергенцией пород на контуре выработки после схода хвостовой оболочки щита. Но размер зазора в 130-160 мм, а также возникающие проблемы с обеспечением нагнетания не позволяют заполнять его полностью, поэтому эта группа сдвижений вносит наиболее существенный вклад в полные сдвижения.

Для исключения или минимизации таких деформаций организуется нагнетание в заобделочное пространство. Существует возможность изменения давления подачи раствора за обделку при необходимости. Компоненты для смеси тщательно подбираются таким образом, чтобы при заданных ожидаемых механических характеристиках получившейся смеси обеспечить ее своевременное схватывание.

Однако практика показывает, что обеспечение качественного полного заполнения не всегда осуществимо. Засорение патрубков вследствие быстрого схватывания, относительно медленного темпа проходки, перебои в подаче смеси или неравномерное распределение тампонажного раствора по контуру обделки (в случае, если схватывание происходит слишком медленно) могут привести к образованию полостей или даже локальному смыканию породы и обделки. Об этом свидетельствуют данные геофизических наблюдений, выполненных для контроля качества заполнения строительного зазора при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская».

Пятая группа сдвижений возникает в зоне закрепленной выработки и условно может быть разделена на две: сдвижения вследствие деформаций обделки (при вступлении её в работу) и сдвижения вследствие проявления реологических процессов и постепенного перераспределения напряжений и деформаций вокруг тоннеля. Выделить эти подгруппы при натурных измерениях практически невозможно, поэтому они рассмотрены как единое целое.

Немаловажным фактором, влияющим на состояние массива, является точность ведения проходческого комплекса по проектной трассе. Корректировка положения щита во время проходки может привести к перебору грунта в забое.

Также в процессе проходки тоннеля необходимо вести контроль качества сборки обделки в зоне монтажа и после ее схода в породу, нельзя допускать образования трещин.

Для уменьшения влияния подземного строительства на земную поверхность может использоваться технология укрепления грунта методом струйной цементации [12, 58]. Строительную площадку над трассой тоннеля вблизи устья сплошным образом обуривают скважинами. В результате этой операции природный грунтовый массив на участке строительства заменяется искусственным (грунтоцементным) массивом, характеризующимся высокими значениями прочностных и деформационных характеристик. Обычно эта операция производится вблизи устья тоннеля, где ожидаются максимальные значения сдвижений на земной поверхности (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Струйная цементация грунтов при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская» в плане и в разрезе по Укрепление грунта промплощадки с помощью струйной цементации может служить как для предотвращения оседаний поверхности на начальном этапе проходки, так и для охраны сооружений на поверхности от вертикального выпирания грунта, возможного при некорректно подобранном давлении грунтопригруза на забой при проходке. Согласно нормативным документам [90], ожидаемые значения модуля деформации укрепленного массива в десятки раз превышают соответствующие значения исходного грунтового массива.

1.4 Вредное влияние горных работ на здания и сооружения Строительство эскалаторного тоннеля тоннелепроходческим механизированным комплексом с грунтовым пригрузом забоя вызывает возникновение мульды сдвижений на земной поверхности. Мульда сдвижения характеризуется относительно небольшими размерами в главных сечениях (первые десятки метров), значения оседаний поверхности достигают 50 - миллиметров при соблюдении технологического регламента проходки и могут доходить до 100 мм при нарушении технологий. Неравномерность оседаний в условиях небольшой площади их распространения определяет большие величины деформаций на земной поверхности. Как известно, воздействие деформаций является более опасным для зданий и сооружений на поверхности, чем воздействие вертикальных сдвижений (даже больших значений), которые распределены равномерно [71, 108]. Поэтому остро встает вопрос об оценке уровня вредного воздействия сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей.

Нормативного документа, напрямую регламентирующего вопросы оценки вредного воздействия от строительства эскалаторных тоннелей в условиях СанктПетербурга, не существует. Действующие акты и инструкции затрагивают этот важный вопрос косвенно, не обосновывая четких критериев оценки степени влияния. Так, например, согласно «Инструкции по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей» ВСН 160наблюдения за деформацией поверхностных сооружений» ограничиваются периодическим нивелированием деформационных реперов, установленных в «возможной зоне деформации» [33]. Применение территориальных строительных норм «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге»

[74] для оценки сдвижений и деформаций ограничено, так как в документе регламентируются предельные осадки, предельная относительная разность осадок, предельный крен.

Базовым документом, регламентирующим вопросы оценки вредного влияния горных работ при добыче полезных ископаемых, являются «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [71]. В данном документе описаны виды сдвижений и деформаций, возникающих при подработке земной поверхности. В качестве наиболее значимых критериев для оценки влияния горных работ в городских условиях выделяются:

- Оседание земной поверхности - вертикальная составляющая векторов сдвижения точек в зоне (мульде) сдвижения (мм).

- Наклоны i - отношение разности оседаний двух соседних точек мульды к расстоянию между ними (безразмерная величина, 1 10 ).

- Кривизна K - отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервалов (1 10 1/м).

составляющая векторов сдвижения точек в зоне (мульде) сдвижения (мм).

- Горизонтальные деформации растяжения и сжатия - отношение разности длин интервала в горизонтальной плоскости к его первоначальной длине (безразмерная величина, 1 10 ).

- Показатель суммарных деформаций l – основной критерий для оценки вредного влияния для гражданских зданий, (мм).

Расчетный показатель суммарных деформаций определяется по формуле:

где l – длина здания, me и mk - коэффициенты условий работы при учете воздействия на здание или сооружение относительных горизонтальных деформаций и кривизны K, H – высота здания, R1 – радиус кривизны.

Нормативные показатели деформаций [ l Д ]н и [ l П ]н для гражданских зданий принимаются в соответствие с таблицей 1.1 в зависимости от назначения гражданских зданий и их этажности.

Таблица 1.1 Нормативные показатели деформаций [ l Д ]н и [ l П ]н для гражданских зданий Детские дошкольные учреждения, 1- больницы, театры, дворцы культуры Для горно-геологических условий Санкт-Петербурга было разработано «Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена» [70]. В «Пособии…» рассмотрены вопросы влияния сдвижений и деформаций земной поверхности на здания и сооружения, определения величин сооружений, рекомендации по расчету защитных мероприятий.

тоннелепроходческих работ, разделяют согласно [70] на пять групп (таблица 1.2).

На участках поверхности, где ожидаемые деформации меньше величин, относящихся к IV группе, не требуется применять горные и конструктивные меры защиты зданий и сооружений.

Степень вредного влияния горных работ при строительстве метрополитена на здания и сооружения зависит от горно-геологических условий проходки, а также от размеров, конфигураций, конструктивных особенностей, эксплуатационно-технического состояния и расположения зданий и сооружений в мульде сдвижения.

Таблица 1.2 – Разделение участков на группы в зависимости от деформаций Виды деформаций зданий и сооружений, расположенных в разных частях мульды сдвижения, подробно описаны в нормативных документах по оценке сдвижений и деформаций [29, 33-35, 65, 71].

Здания и сооружения, расположенные на краю мульды сдвижения, испытывают воздействие положительной кривизны выпуклости земной поверхности. Основное развитие деформаций в этих случаях происходит в верхних этажах. Схема влияния на здание края мульды сдвижения представлена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Схема влияния на здание края мульды сдвижения: a,b,c,d,k – характерные точки здания до подработки, c’, b’, k’ – характерные точки здания после подработки, R – радиус кривизны мульды, с – оседание точки с, i – угол Здания и сооружения, попавшие в среднюю часть мульды сдвижения, испытывают воздействие отрицательной кривизны вогнутости земной поверхности. Основное развитие деформаций в этих случаях происходит в нижних этажах зданий, особенно в цокольно-подвальной части (рисунок 1.7).

Влияние отрицательной кривизны земной поверхности на цокольно-подвальную часть зданий приводит к развитию деформаций и повреждений в бутовых фундаментах, в конструкциях пола подвала (гидроизоляции), в сводчатых кирпичных перекрытиях над подвальными помещениями и т.д.

Рисунок 1.7 – Схема влияния на здание края мульды сдвижения: R – радиус При расположении зданий рядовой застройки на участке отрицательной кривизны мульды могут возникнуть опасные повреждения также в верхней части зданий от влияния наклонов соседних зданий. Схема для такого случая приведена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Профиль мульды и наклон зданий (i1, i2) при расположении их на кривизне вогнутости мульды сдвижения: R – радиус кривизны мульды Тот же случай (в плане) представлен на рисунках 1.9 и 1.10.

Рисунок 1.9 – Примыкание зданий (в плане) до деформации земной поверхности при расположении зданий на кривизне вогнутости мульды Рисунок 1.10 – Примыкание зданий (в плане) после деформации земной поверхности при расположении зданий на кривизне вогнутости мульды Здания и сооружения, расположенные на участке перегиба мульды сдвижения (то есть на участке изменения формы кривой), испытывают сложные воздействия деформации у земной поверхности положительной кривизны – выпуклости и отрицательной кривизны – вогнутости.

Рисунок 1.11 – Схема воздействия перегиба мульды сдвижения на здание:

0 – максимальное оседание в мульде; R – радиусы кривизы; a, b, c, d – положения точек до подработки; a’, b’, c’, d’ – положения точек после подработки; i1, i2, i3, i Оседания поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей достигают 50 - 60 мм при соблюдении технологических режимов проходки, могут достигать 100 мм в аварийных случаях. Деформация кривизны в мульдах достигала уровня 0.0008-0.0014 1/м. Примеры вредного влияния проходки эскалаторных тоннелей с применением ТПМК, проявляющегося в образовании трещин, показаны на рисунках 1.12-1.14.

Рисунок 1.12 – Трещины в стенах домов от сооружения эскалаторного Рисунок 1.13 – Трещина в стене дома от сооружения эскалаторного тоннеля Рисунок 1.14 – Трещина в стене дома от сооружения эскалаторного тоннеля 1.5 Существующие методы оценки сдвижений и деформаций при С развитием горного дела возникла необходимость учета воздействия горных работ на состояние земной поверхности и находящихся на ней объектов.

Данные проблемы решаются наукой о сдвижениях и деформациях горных пород, берущей свое начало от изучения последствий ведения горных работ при отработке угольных месторождений. В процессе повышения уровня технологий, применяемых для добычи сырья, возрастали и требования к обеспечению безопасности. Проблемой сдвижений и деформаций занимались крупные отечественные и зарубежные ученые.

Можно выделить три основных метода изучения процесса сдвижения:

теоретический метод, анализ данных натурных маркшейдерских измерений и проведение моделирования процесса сдвижения. Среди тех, чьи труды посвящены изучению геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород, и их влиянию на земную поверхность при производстве горных работ, следует назвать труды С.Г.Авершина, А.Г.Акимова, Э.Л. Галустьяна, М.А.

Иофиса, Д.А. Казаковского, Г. Кратча, С.П. Колбенкова, М.Г.Мустафина, В.Н.Гусева и др. [1-6, 21-25, 36-40, 47, 48, 61]. Вопросы сдвижения пород при подземном строительстве в городских условиях рассмотрены в работах Ю.А. Лиманова, В.Ф.Подакова, С.Н.Сильвестрова, М.В.Долгих, В.П.Хуцкого, Д.В.Панфилова, R. Mair и др. [11, 28, 50, 68, 69, 70, 75, 78, 79, 96, 97, 109]. Работы В.Ф.Подакова, С.Н.Сильвестрова, Е.М.Волохова [15-19, 69, 70, 78, 79] связаны с оценкой сдвижений при тоннельном строительстве в городских условиях, но основным объектом изучения в работах является горизонтальный тоннель, пройденный в коренных породах.

Применяемый в настоящее время расчетный метод оценки влияния проходки эскалаторных тоннелей описан в «Пособии по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена» В. Ф. Подакова [70].

Прогнозная методика разработана для условий проходки эскалаторных тоннелей с искусственным замораживанием грунтов. Расчет оседаний земной поверхности основан на гипотезе о равенстве объема мульды сдвижения земной поверхности и изменения объема льдогрунтового ограждения в результате изменения физико-механических свойств пород вследствие их оттаивания и уплотнения.

сооружений. Величину и положение максимального оседания рассчитывают по методике, предложенной к.т.н. Сильвестровым С.Н. [78, 79].

Формула для определения максимального оседания в главном сечении мульды сдвижения предложена Е.А.Овсянко и В.Ф.Подаковым [70]:

где р - толщина стенки льдогрунтового ограждения, м; Dв - вертикальный диаметр эскалаторного тоннеля в нормальном сечении, м; DГ - горизонтальный диаметр эскалаторного тоннеля в нормальном сечении, м; lср.вз. средневзвешенное значение относительного уплотнения замороженной толщи, зависящее от состава пород (обычно составляет 0,07 – 0,25); h - мощность замороженной толщи пород, м; Lу - длина мульды сдвижения в главном сечении, м; m0 - параметр, определяющий крутизну склонов мульды сдвижения по главному сечению, проходящему перпендикулярно оси выработки, 1/м2; Kр коэффициент разрыхления. Для обводненных грунтов принимают Kр=1,0; для необводненных грунтов - Kр=1,08.

Положение точки максимального оседания в главном сечении мульды сдвижения, проходящем по оси эскалаторного тоннеля, следует определять по формуле:

где LЭ - длина эскалаторного тоннеля.

Границы мульды сдвижения в главном сечении, проходящем по оси эскалаторного тоннеля, определяются проведением наклонных прямых от внешней границы нижнего контура замороженных пород под углами влияния и 2 относительно горизонта.

Максимальное оседание на контакте кембрийских глин определяется через коэффициент q, характеризующий отношение величины указанного оседания к величине оседания шелыги свода тоннеля.

Расчет оседаний в точках мульды сдвижения на земной поверхности производится по методу типовых кривых. Приведенные ниже типовые кривые были разработаны при участии М.А.Иофиса [36]. Оседания и деформации в главных сечениях мульды сдвижения определяются согласно следующим соотношениям:

где (x), i(x), K(x) - оседание, наклон и кривизна соответственно.

Функция S(z) характеризует распределение оседаний в мульде сдвижения.

Функции S’(z) и S”(z) определяют характер распределения деформаций наклонов и кривизны в пределах мульды сдвижения. Как следует из Пособия [70], значения типовых функций S(z), S’(z), S”(z) определяются согласно таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Типовые функции распределения оседаний, наклонов и кривизны в мульде сдвижения Следует отметить ряд недостатков данной методики расчета. Рассмотренная прогнозная методика предлагает использование одной типовой кривой для расчета сдвижений и деформаций от строительства горизонтальных перегонных тоннелей и наклонных эскалаторных тоннелей. Различные горно-геологические характеристики строительства предполагают различное влияние строительства вышеназванных тоннелей на окружающий породный массив. Характер деформационных процессов в толще, а значит, и сдвижения и деформации в мульде будут отличаться. Следовательно, наиболее корректным представляется независимое выделение типовой кривой для наклонных тоннелей. Проведенные исследования показали, что типовая кривая из «Пособия…» [70] не позволяет достоверно описать сдвижения от строительства эскалаторных тоннелей, пройденных ТПМК.

Кроме того, основным видом представления типовых функций традиционно является табличный. В современных условиях развития математического аппарата более уместно использовать аналитическое задание типовой функции.

Это позволяет обеспечить удобство дальнейшей математической обработки данных и получение сдвижений и деформаций в любой точке мульды вне главных сечений.

Анализируя опыт исследований сдвижения горных пород при строительстве эскалаторных тоннелей, необходимо назвать работы С.Н.Сильвестрова [78, 79]. В основе его исследований оседаний поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей метрополитена лежит физическое моделирование методом эквивалентных материалов [49]. В работах рассмотрена классическая технология строительства эскалаторных тоннелей – проходка с искусственным замораживанием грунтов. В оборудованном испытательном стенде составлена комплексная модель, состоящая из материалов, имитирующих грунты массива (в естественном состоянии), замороженные породы и обделку тоннеля. В ходе испытаний осуществляется постадийное моделирование следующих технологических операций: замораживание пород, выемка грунта с возведением тоннельной обделки, оттаивание грунтов. Подбор материалов, имитирующих грунтовый массив и обделку, осуществлялся на основе теории подобия.

Для материалов, имитирующих четвертичные отложения:

где м - угол внутреннего трения модельных материалов, н - угол внутреннего трения натурных материалов, см - сцепление модельных материалов, сн - сцепление натурных материалов, - линейный масштаб моделирования, м объемный вес модельных материалов, н - объемный вес грунта.

Обделка подбиралась из эпоксидных компаундов с учетом зависимостей, определяющих упругое поведение:

где E – модуль упругости, – коэффициент Пуассона.

Моделирование слоя ледопородного ограждения производилось по модулю деформации, так как среда проявляла себя как линейно-деформируемая. Модуль деформации в этом случае составляет Е= (2,1-3,0)·104 кг/см2. Выбранная величина модуля деформации носит приближенный характер, так как в натуре величина зависит от нескольких изменчивых параметров (температура, влажность, состав грунта).

В результате проведенных опытов были сделаны выводы о закономерностях сдвижений и деформаций. Во время проходки оседания поверхности практически не наблюдаются. Заполнение строительного зазора обеспечивает лишь 20-25% от полной величины оседаний. Основная часть оседаний (до 70%) проявляется за счет действия физико-механических процессов сжатия грунта в результате его оттаивания. Размеры мульды сдвижения определяются граничными углами, следовательно, зависят от длины тоннеля.

На основе анализа результатов выполненных исследований учеными были разработаны мероприятия, направленные на уменьшение воздействия проходки эскалаторных тоннелей с замораживанием пород на земную поверхность. Можно выделить мероприятия по трем направлениям:

- Ограничение действия основных причин оседаний: миграции влаги и предварительного осушения и изменения структуры грунтов.

- Уменьшение величины оседаний при оттаивании грунтового массива. Для осуществления может применяться отвод избыточной грунтовой воды и заполнение пустот в массиве специальной эмульсией (например, цементация, силикатизация или глинизация грунтов).

применения естественного оттаивания, устройства гидроизоляции тоннеля до оттаивания грунтов, разрушение морозной структуры массива.

Методика, разработанная С. Н. Сильвестровым, используется только применительно к проходке эскалаторных тоннелей с искусственным замораживанием массива. Эта методика не может быть применена к проходке эскалаторных тоннелей с использованием новой технологии (механизированными комплексами с грунтовым пригрузом забоя).

Современная технология строительства эскалаторных тоннелей с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов с пригрузом забоя является единственно возможной для применения в условиях слабых грунтов, а также при наличии плотной городской застройки. Проблема особенно актуальна в Санкт-Петербурге в связи со сложными геологическими условиями в регионе и с необходимостью обеспечения сохранности зданий при подземном строительстве.

Несмотря на то, что применение указанной технологии позволяет снизить воздействие горных работ на породный массив, создаются условия для проявления существенных деформаций, которые могут вызвать повреждения зданий и сооружений в пределах мульды сдвижения. Для обеспечения эффективной охраны зданий и сооружений от вредного влияния горных работ необходимо осуществление качественного прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности.

Применение существующих прогнозных методик расчета сдвижений и деформаций для условий строительства эскалаторных тоннелей с применением ТПМК неактуально. В большинстве из них рассматривается влияние на поверхность горизонтальных тоннелей, для эскалаторных же тоннелей рассмотрен лишь традиционный способ проходки с замораживанием грунтов.

Данные, полученные с использованием указанных методов, обладают низкой достоверностью, не обеспечивая сходимость прогнозных величин с результатами натурных наблюдений.

В настоящее время проблема оценки вредного влияния горных работ при строительстве эскалаторных тоннелей с применением ТПМК не решена, что дает основание для проведения исследований по направлениям, обеспечивающим:

- Сбор, анализ и обобщение данных натурных исследований процесса сдвижений и деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием ТПМК;

- Анализ качественных закономерностей геомеханических процессов при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием ТПМК на основе численных методов;

- Совместную комплексную обработку данных натурных исследований и математического моделирования для верификации моделей и построения количественных зависимостей;

- Обоснование эффективных способов деформационных наблюдений горных пород, зданий и сооружений при сооружении эскалаторных тоннелей;

- Определение зоны влияния тоннелепроходческих работ;

- Разработку инженерной методики расчета ожидаемых сдвижений земной поверхности при строительстве новых эскалаторных тоннелей.

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

Натурные маркшейдерские наблюдения являются основным методом изучения процесса сдвижений и деформаций. Закономерности развития сдвижений и деформаций строятся на основании накопленных данных наблюдений. С развитием технологий подземного строительства возрастают требования к организации мониторинговых наблюдений, как в техническом, так и в методологическом направлении. Совершенствование приборов определяется развитием техники и происходит постоянно. Проведение мониторинговых наблюдений процесса сдвижения в современных реалиях подземного строительства недостаточно обосновано нормативными документами. В данной главе описаны методы натурных исследований процесса сдвижения, представлены данные, полученные при строительстве эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге, приведены рекомендации по повышению эффективности наблюдений за процессом сдвижения при строительстве эскалаторных тоннелей.

2.1 Существующие методы мониторинга деформаций При осуществлении мониторинга деформаций можно выделить два основных способа наблюдений: мониторинг, осуществляемый традиционными геодезическими методами, и скважинный мониторинг оседаний в массиве. Первая группа включает в себя высотные наблюдения за оседаниями точек, закрепленных на земной поверхности, на зданиях и сооружениях, а также наблюдения за плановыми смещениями точек на фасадах зданий и сооружений. Среди наблюдений на основе геодезических методов можно выделить мониторинг с использованием роботизированных тахеометров, который позволяет выявлять и контролировать смещения точек объекта наблюдения в режиме реального времени.

цементного раствора закладываются в стенах зданий. Кроме того, вокруг сооружаемого объекта закладываются грунтовые реперы. Для наблюдения за плановыми смещениями точек на фасадах зданий закрепляются стенные марки или отражательные призмы.

Наблюдение за вертикальными и горизонтальными сдвижениями поверхности, зданий и сооружений заключается в проведении серии работ, которые регламентируются следующими документами: ГОСТ 24846-81 и «Инструкцией по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей» ВСН 160-69 [33, 104].

Перед началом горнопроходческих работ производится первичное нивелирование для получения исходных отметок деформационных реперов.

Для определения величин оседаний земной поверхности производятся наблюдения за поверхностными сооружениями в зоне возможного влияния горных работ [33]. Деформационный мониторинг в этом случае состоит в периодическом нивелировании установленных на сооружениях деформационных реперов.

Наблюдение за оседаниями производится методом геометрического нивелирования от исходных реперов, находящихся вне зоны деформации, с выполнением требований точности для ходов нивелирования III класса:

где L – длина хода в километрах; n – количество штативов (при наличии в ходе или полигоне более 16 штативов).

Измерение смещений по маркам, расположенным на фасадах зданий, производится с целью определения степени влияния горнопроходческих работ на здания, расположенные в зоне сдвижения. Для определения начальных условий перед ведением горнопроходческих работ производятся первичные измерения координат марок (не менее двух раз). Для проведения измерений используют электронный тахеометр.

Точность измерений принимается на основании [104]:

- линейные измерения проводятся с погрешностью 5 мм;

- угловые измерения - по первому классу точности.

По результатам наблюдений составляются ведомости оседаний и горизонтальных перемещений.

После завершения мониторинга составляется отчет, в который входят следующие материалы:

- Каталог, в который заносятся первичные отметки деформационных реперов и марок; описание деформационных реперов и марок; величины оседаний; величины горизонтальных перемещений;

- План поверхности с нанесенными величинами оседаний и горизонтальных перемещений;

- Сводная ведомость оседаний и горизонтальных перемещений.

2.2 Натурные данные, полученные по результатам наблюдений за процессом Наблюдательные станции в двух случаях проходок из трех (эскалаторные тоннели ст.м. «Спасская» и ст.м. «Обводный канал») представляют собой взаимно перпендикулярные линии грунтовых реперов (рисунок 2.1), расположенные на земной поверхности вдоль и поперек оси тоннеля [59]. Сечения, проходящие через точку максимального оседания вдоль и перпендикулярно оси тоннеля, называются главным продольным и главным поперечным сечением мульды сдвижения соответственно.

Рисунок 2.1 – Схема наблюдательной станции грунтовых реперов, организованной при строительстве эскалаторного тоннеля станции «Спасская»

В случае строительства эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская» вследствие плотной застройки невозможно было создать подобную наблюдательную станцию. Вместо нее для наблюдения за процессом сдвижения на поверхности была создана сеть из большого количества реперов, размещенных в цокольных частях зданий. Схема сети мониторинговых реперов на участке строительства эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская»

представлена на рисунке 2.2. В измерениях также используются реперы городской нивелирной сети, которые попадают в зону влияния горных работ.

Всего насчитывается более 70 реперов, часть из которых были утрачены, некоторые восстановлены.

Рисунок 2.2 – Сеть деформационных реперов при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская»

Результаты натурных маркшейдерских наблюдений, произведенных при проходке трех эскалаторных тоннелей в условиях Санкт-Петербурга, позволяют говорить о постепенном развитии мульд сдвижения на земной поверхности.

Пример развития мульды сдвижения при строительстве эскалаторного тоннеля станции «Спасская» в главных сечениях (продольном и поперечном) представлен на рисунке 2.3.

В данном примере (сооружение эскалаторного тоннеля станции «Спасская») размеры мульды сдвижения достигают 80 м в продольном и поперечном направлениях. Максимальные оседания на земной поверхности составили 57 мм, деформации наклонов i=2,5·10-3, деформации кривизны k=2,4·10-4 1/м. Для мульды от проходки эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская»

максимальные оседания на земной поверхности составили 48 мм, деформации наклонов i=2,6·10-3, деформации кривизны k=1,8·10-4 1/м. В случае проходки эскалаторного тоннеля станции метро «Обводный канал» [59] максимальные оседания на земной поверхности составили более 93 мм, деформации наклонов i=6,4·10-3, деформации кривизны - k=14·10-4 1/м.

Значения деформаций, рассчитанные по данным натурных наблюдений, существенно превышают значения критических деформаций наклонов и кривизны, которые определяют зону опасного влияния согласно «Правилам охраны…» [71].

Рисунок 2.3 – Развитие мульды сдвижения при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская»: а) в главном продольном сечении, Натурные данные маркшейдерских наблюдений за процессом сдвижения характеризуются неоднородностью и разрывами во времени. Существенным недостатком организации системы наблюдательных станций является нерегулярность размещения реперов на поверхности. Указанные факторы создавали дополнительные сложности при анализе.

К сожалению, подобная ситуация, хоть и характеризуется избыточностью информации по оседаниям отдельных реперов в различных участках зоны влияния строительства, но не позволяет рассмотреть процесс оседаний в заданных перпендикулярных сечениях мульды. Таким образом, для получения данных оседаний в плоскости, приходится прибегать к операциям интерполяции, что не всегда позволяет получить достоверные данные.

Следует отметить необходимость рационального выбора общего времени проведения наблюдений за процессом сдвижения. Рассмотрим пример строительства эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская».

Известно, что сбойка тоннелей (окончание проходки эскалаторного тоннеля) состоялась 15.04.2011 г. По данным ЗАО «Фирмы ГИРО», осуществлявшей наблюдения за оседаниями земной поверхности, на момент 28.07.2011 г. оседания за последние три дня не проявились, в связи с чем наблюдения были прекращены.

Максимальное оседание было зафиксировано на репере Э3 (расположенном на оси тоннеля) и составило 49 мм. Специалисты маркшейдерской службы предприятия «СМУ-11 Метрострой» продолжали наблюдения до осени 2011 года.

Полученные ими данные свидетельствуют о том, что оседания по сравнению со значениями, зафиксированными летом (июль), к середине октября выросли примерно в 1,4 раза. Так, например, оседания по реперам №50 и №52, закрепленным в зданиях недалеко от оси тоннеля, возросли с 38 мм и 30 мм до мм и 47 мм соответственно. К сожалению, небольшое количество и отрывочность во времени этих данных не позволяет провести их системный анализ. Но с уверенностью можно утверждать, что реологические свойства пород проявляют себя на протяжении длительного периода после окончания проходки (примерно полгода), вызывая значительное увеличение оседаний. Таким образом, можно рекомендовать проводить мониторинговые наблюдения с учетом опыта осуществленных проходок, проводя дополнительные циклы измерений оседаний по меньшей мере раз в месяц в течение как минимум полугода после зафиксированного замедления процесса сдвижения. Это позволит более точно изучить влияние горных работ на земную поверхность.

Ключевым элементом обеспечения сохранности объектов, попадающих в зону влияния горных работ при проходке эскалаторных тоннелей в неустойчивых грунтах, является скважинный мониторинг [18, 27, 34]. В настоящее время автоматизированного мониторинга деформационных процессов в глубине массива горных пород на основе использования скважинных систем [66, 67].

Такие системы основаны на создании наблюдательной станции, состоящей из нескольких скважин с размещенными в них датчиками перемещений.

Производителями предлагаются разные виды приборов, с помощью которых возможно производить измерения: стержневой экстензометр, стационарный экстензометр, съемный экстензометр, магнитный экстензометр, фиксированный экстензометр.

На сегодняшний день скважинный мониторинг применялся при проходке двух эскалаторных тоннелей метрополитена в Санкт-Петербурге (тоннели станций метро «Адмиралтейская» и «Спасская»). В случае наблюдения за массивом горных пород при проходке эскалаторных тоннелей специалистами распространенные приборы скважинные стержневые экстензометры Рисунок 2.4 – Скважинный стержневой экстензометр скважины № наблюдательной станции на ст.м. «Адмиралтейская»

Скважинный стержневой экстензометр позволяет производить точные измерения продольных перемещений в грунте (горной породе). Обычно устройство применяется в наблюдениях при анализе состояния фундаментов, насыпей, котлованов. Измерительная система включает в себя: реперы (экстензометры), стержни-удлинители и измерительный оголовок, позволяющий производить ручные или автоматические измерения. Защитные трубы предотвращают контакт стержней с цементом или породами. Установка прибора подразумевает сборку всех необходимых компонентов и погружение экстензометра в предварительно пробуренную скважину. В большинстве случаев собранный экстензометр цементируется в скважине. При значительных глубинах скважин необходимо использовать центраторы для обеспечения точной установки стержней в скважине. Каждая измерительная скважина может содержать от 1 до реперов. Реперы могут быть следующих типов: погружной арматурный репер – конструктивно наиболее простой, гидравлический репер с расширяющимися зубцами для крепления в массиве, кольцо с пружинами, используемое в восходящих скважинах (рисунок Стержни-удлинители могут быть выполнены из стекловолокна или нержавеющей стали с защитными трубками.

Стекловолоконные стержни обрезаются до необходимой длины на месте, стержни из нержавеющей стали собираются из секций, длина каждой из которых может достигать трех метров.

Рисунок 2.5 – Виды реперов скважинного стержневого экстензометра BOREX: а) погружной арматурный репер, б) гидравлический репер, в) кольцо с Диапазон измерений системы может составлять от 50 до 150 мм, точность мм или 0,3-0,9 мм в зависимости от типа считывающего устройства.

Достоинствами устройств данного типа являются: простота в установке и эксплуатации, точность, возможность регулировки глубины измерений на месте перед началом производства работ.

Наблюдательная станция на основе скважинных систем, использовавшаяся при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская», состояла из четырех вертикальных скважин, размещенных над осью эскалаторного тоннеля на расстоянии 28 м, 75 м, 84 м, 110 м от БВВ соответственно (рисунок 2.6). В скважинах на разных глубинах с шагом примерно 10 м были размещены реперы.

Рисунок 2.6 – Расположение глубинных реперов при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская»

Наибольшие оседания устья скважины на поверхности (-27 мм на момент окончания проходки) зафиксированы на скважине Э-3. Согласно показаниям экстензометров, наибольшие оседания в массиве локализованы вблизи обделки тоннеля в слое суглинка с включением гравия и гальки отдельными валунами, от мягкопластичной до полутвердой консистенции на глубине порядка 40 м (над кольцом №84). Ниже указанного слоя залегают слои протерозойских глин, характеризующиеся высокими значениями физико-механических характеристик.

Наибольшие вертикальные деформации зафиксированы по скважинам Э-2 и Э- на глубинах около 25 м. Значения вертикальных деформаций составляют от 0, до 0,006. Эти зоны повышенных деформаций растяжения находятся в слое ленточных глин текучей консистенции и ограничиваются подстилающими их прослойками ленточных суглинков (согласно данным экстензометров в этих скважинах, вертикальные деформации на глубинах около 30 м затухают до значений 0,0005 и 0,001 соответственно). На скважине Э-4 не зафиксировано больших значений оседаний: на поверхности оседание составило 17 мм, максимальное оседание в глубине массива - 40 мм (на глубине 49 м). При этом значительная часть полного оседания (точки на земной поверхности) проявилась в нижнем слое суглинка – увеличение с 21 до 40 мм (вертикальные деформации составили 0,0014).

Развитие деформационных процессов в слоях грунтов требует пристального рассмотрения. Непосредственно при проходке над тоннелем возникает зона деформаций растяжения, обусловленная неравномерной (по вертикали) скоростью оседания пород массива. Пониженные значения деформационных характеристик слоя ленточных глин создают условия для интенсивного проявления здесь деформаций растяжения. Далее следует ожидать возможного возвращения массива в исходное состояние за счет протекания реологических процессов в массиве. При этом деформации растяжения над сводом будут частично компенсироваться. В связи с возникновением зоны вторичного сжатия вероятно дальнейшее развитие оседаний земной поверхности. Это длительный процесс, протекающий постепенно. Натурные данные сдвижений на земной поверхности, как было показано выше, подтверждают это предположение.

Максимальное оседание в шелыге тоннеля в зоне струйной цементации грунтов (скважина Э-1) составило всего 5 мм при оседании на поверхности 3 мм.

Это позволяет сделать вывод об эффективности примененной технологии обеспечения устойчивости массива с помощью грунтозакрепления методом струйной цементации.

Анализируя общую картину распределения деформаций, можно сказать, что зона наибольшего влияния горных работ локализована над средней частью тоннеля. Необходимо отметить недостаток данных скважинного мониторинга по первой части тоннеля за зоной грунтозакрепления. Величина этой зоны, где составляет 47 м (расстояние между скважинами Э-1 и Э-2). Таким образом, можно предположить возникновение значительных сдвижений и деформаций в массиве в пределах этого участка. Изучение данных в указанной области ограничивается результатами наблюдений по стенным реперам, закрепленным в зданиях.

Наблюдательная станция, используемая при строительстве эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская» состоит из четырех скважин, расположенных на расстояниях 35, 47, 55, 75 м от БВВ соответственно. В этих скважинах реперы установлены на расстояниях 6-10 м по вертикали друг от друга. Первая скважина Э-1, в устье которой зафиксировано максимальное оседание - 44 мм (на момент грунтозакрепления. Расположение скважин по длине тоннеля более равномерное, чем при строительстве эскалаторного тоннеля «Адмиралтейской», что позволяет рассмотреть общую картину деформационных процессов в массиве более детально. Максимальные оседания локализованы в первой части массива по длине трассы тоннеля (скважина Э1 – 44 мм). На реперах следующих скважин отмечается уменьшение оседаний. Максимальное оседание по скважине Э-2 – 31 мм на глубине 14 м, по скважине Э-3 – 30 мм на глубине 19 мм. Эти оседания локализованы в слоях ленточной глины текучепластичной консистенции и суглинка мягко- и тугопластичной консистенции. Оседания по четвертой скважине сравнительно невелики, максимальное значение равняется 10 мм на глубине 29 м. Четвертая скважина располагается над конечным участком тоннеля, который полностью находится в протерозойских глинах.

Следует отметить неравномерный характер распределения оседаний в массиве. Данные экстензометров показывают, что до глубины 8-10 метров оседания не изменяются, и практически отсутствуют деформации растяжения.

Указанная верхняя толща почти полностью состоит из пылеватого песка средней плотности. Наибольшие деформации растяжения зафиксированы на скважине Э- на глубине от 9 до 14 м. Значения вертикальных деформаций здесь достигали 0,0012. На аналогичном участке соседней скважины – 0,0011. Следует отметить небольшие размеры участка трассы тоннеля, проходящей после зоны грунтозакрепления через слабые породы до прочных протерозойских глин. Длина этого участка составляет всего 30 м по оси тоннеля (для условий проходки эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская» указанный участок продолжается около 70 м). Небольшая длина проходки в слабых породах является в этом случае дополнительным сдерживающим фактором для развития оседаний.

Скважина Э1 располагалась в пределах зоны закрепления грунта.

Технология укрепления приповерхностного участка грунтового массива методом струйной цементации показала себя весьма эффективной. Это подтвердили натурные маркшейдерские наблюдения: в укрепленной области смещения точек на поверхности и в глубине массива оказались практически нулевыми.

Укрепление грунтов промышленной площадки методом струйной цементации применялось при строительстве эскалаторных тоннелей станций «Адмиралтейская» и «Спасская».

Несмотря на вышеперечисленные технологические преимущества мониторинга на основе скважинных наблюдательных станций, необходимо указать на существенные методические недостатки проведения такого мониторинга. Во-первых, не всегда производился контроль неизменности положения оголовков скважин по вертикали. Так как экстензометры фиксируют оседания только относительно устья скважин, то определение абсолютных смещений массива без учета вертикальных сдвижений устьев скважин невозможно [27]. Во-вторых, опыт мониторинга каждой предыдущей проходки эскалаторного тоннеля должен быть учтен при проведении следующей.

Например, выход из строя экстензометров при превышении значениями измеряемых сдвижений пределов измерений должен определять выбор типов приборов с более широкими пределами измерений для следующего применения.

Третьим важным моментом является обоснованность применяемых методов наблюдения. Характер данных, полученных по результатам наблюдений по наклонным скважинам, не позволяет проводить их совместный анализ с другими данными скважинного мониторинга деформаций.

Обязательным условием проведения комплексного мониторинга процессов сдвижений при строительстве эскалаторных тоннелей является мониторинг гидростатического давления в скважинах. При проходке тоннеля станции «Спасская» по данным с 1 мая по 23 мая в целом гидродинамическая ситуация стабильна. За этот период, согласно хронологии проходки, смонтированы кольца обделки с №30 по №73 (из 88 колец - это большая часть всего тоннеля). Кольцо №30 – десятое по счету кольцо обделки после выхода ТПМК из зоны грунтозакрепления в слабый слой ленточных глин. Локальный рост гидростатического давления связан с проходческими работами вблизи датчиков или монтажом обделки. Наибольшие увеличения гидростатического давления зафиксированы на датчиках скважины, расположенной примерно над серединой пройденного за рассматриваемый период участка тоннеля, что косвенно подтверждает возникновение зон локального сжатия массива, проявляющихся с некоторым отставанием от забоя. Небольшое количество данных по мониторингу гидростатического давления не позволяет произвести более подробный анализ.

Необходимо отметить еще один важный параметр, который должен быть зафиксирован при строительстве тоннеля с помощью ТПМК. Это объем (масса) извлеченного при проходке грунта. Совместный анализ данных такого рода вместе с данными о грунтовом пригрузе забоя и об объеме и давлении раствора, который подавался в заобделочное пространство, может позволить определить, имеет ли место перебор грунта, а также оценить качество нагнетания в заобделочное пространство [88]. Но соответствующие данные службами, осуществляющими контроль деформаций, не фиксировались, что сделало невозможным полный анализ данных о проходке.

2.4 Анализ результатов натурных наблюдений Для всех трех указанных выше тоннелей было изучено развитие процесса сдвижения на земной поверхности. Исходные данные для анализа представлены журналами нивелирования грунтовых реперов и реперов в цокольных частях зданий. Эти данные расцениваются как наиболее важные, характеризующие степень влияния горных работ на объекты земной поверхности.

Анализ данных натурных наблюдений процесса сдвижения от сооружения эскалаторных тоннелей во времени показывает, что оседания происходят постепенно, без образования провалов (см. рисунок 2.3). На графиках не наблюдается сильных пересечений кривых оседаний. Незначительные совпадения соседних кривых на графиках можно объяснить погрешностями наблюдений в соседних циклах мониторинга. Разные величины промежутков между кривыми на графике обусловлены нерегулярностью наблюдений.

Анализ распределений сдвижений в продольном сечении по натурным данным (см. например рисунок 2.3, а) показывает, что мульды сдвижения имеют сложную форму. Достоверно определить их границы не удается из-за недостаточных длин профильных линий реперов. Поэтому для анализа мульды сдвижения в главном продольном сечении использовались методы математического моделирования сдвижений и деформаций на основе метода конечных элементов в объемной постановке (см. гл. 3).

Традиционным методом оценки распределений сдвижений и деформаций является метод тип кривых (МТК), позволяющий анализировать форму распределений на основе использования единичных функций оседаний [47,70,71].

Такая форма преставления данных позволяет сравнивать кривые независимо от величины максимального оседания и длин полумульд. Дальнейший анализ распределений сдвижений и деформаций на поверхности производится на основе принципов МТК.

по натурным данным на момент окончания наблюдений, были описаны аналитической зависимостью. Для этого значения оседаний и расстояния от точки максимального оседания были приведены к единичному виду. Основной сложностью при приведении функций к единичному виду является выбор граничного критерия (определение размера полумульды). Имеющиеся натурные данные позволяют в качестве граничных принимать лишь значения оседаний по крайним реперам наблюдательных станций, на которых зафиксированы минимальные оседания величиной 1 мм. В ходе исследований установлено, что размер полумульды значительно влияет на форму кривой единичной функции.

Для описания кривых оседаний была выбрана функция, предложенная С.П.Колбенковым [47]. Ее использование показало хорошие результаты в ранее проведенных исследованиях [63]. Функция имеет следующий вид:

где z=x/L (L - длина полумульды, х – абсцисса рассматриваемой точки (начало координат в точке максимального оседания)), е – основание натурального логарифма, a, b,с – постоянные коэффициенты.

Для каждого поперечного сечения отдельно были рассмотрены две стороны мульды – левая и правая относительно оси тоннеля. Коэффициенты a, b, с для всех функций левой и правой половин мульд были подобраны с помощью регрессионного анализа нелинейной функции. В основу подбора параметров положен алгоритм Левенберга–Марквардта, который является наиболее распространенным алгоритмом оптимизации [111].

В результате проведенного анализа были получены численные значения коэффициентов для функций, описывающих форму полумульд, возникающих при проходке эскалаторных тоннелей. Так, левую и правую полумульды от проходки эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская» согласно имеющимся натурным данным можно описать функциями:

приближении - путем усреднения соответствующих коэффициентов функции.

Коэффициенты a, b, c для усредненной функции, описывающей полумульду сдвижения в поперечном сечении от проходки эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская», равны соответственно 20,0; 2,01; -2,63.

График получившейся функции представлен на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – График усредненной функции, описывающей полумульду сдвижения эскалаторного тоннеля «Спасская» в поперечном сечении Для эскалаторного тоннеля станции метро «Адмиралтейская» функцию, адекватно описывающую кривую оседания, удалось получить лишь для одной полумульды. Это объясняется нерегулярностью наблюдательной сети реперов.

Формула функциональной зависимости для поперечной полумульды, возникшей от проходки этого тоннеля, имеет вид:

Учитывая хорошую сходимость полученных функций, было решено построить общую функцию по всем натурным данным описанным выше образом.

Усредненная функция для трех эскалаторных тоннелей, описывающая мульду сдвижения в поперечных сечениях, имеет вид:

Была произведена оценка качества регрессии функции, с помощью которой можно описать оседания на земной поверхности, полученные по результатам натурных маркшейдерских наблюдений. На графике, показанном на рисунке 2.8, представлены оседания по натурным данным, приведенные к единичному виду, и аппроксимирующая их функция. Точками обозначены характерные точки кривых, построенных по натурным данным. Типовая кривая оседаний аппроксимирует данные оседаний по единичным полумульдам (представленным разными циклами наблюдений) для трех эскалаторных тоннелей. Среднеквадратическое отклонение значений оседаний от значений предложенной типовой функции: =0,118.

Рисунок 2.8 – Типовая кривая оседаний, построенная по натурным данным 2.5 Обоснование новых способов мониторинга 2.5.1 Мониторинг с использованием роботизированных систем В условиях высоких скоростей проходки эскалаторных тоннелей, когда деформации подрабатываемого массива за короткое время могут достигать Необходимость обеспечения сохранности зданий и сооружений, особенно представляющих историческую и культурную ценность, предъявляет высокие требования к точности и частоте проводимых измерений. Для решения таких задач наиболее целесообразно применение систем деформационного мониторинга на базе роботизированных электронных тахеометров (РЭТ).

Указанные системы способны обеспечить высокую точность измерений смещений на небольших участках наблюдений. Согласно паспортным характеристикам приборов, точность определения смещений указанными системами составляет до 1-3 мм в зависимости от измеряемых расстояний и условий видимости. При условии косвенного исключения систематических погрешностей измерений точность таких систем может достигать величин 0,3мм.

Интервал измерений задается в специальном ПО для станции мониторинга и может варьироваться в широких пределах для обеспечения оптимальных режимов наблюдений на каждой стадии горных и строительно-монтажных работ.

При проведении наземного деформационного мониторинга применение систем на базе роботизированных электронных тахеометров позволяет обеспечить оптимальное соотношение показателей точности измерений перемещений точек, периодичности получения данных, стоимости проведения мониторинга [76].

2.5.2 Рекомендации по проведению скважинного мониторинга Анализ развития деформаций в подрабатываемом массиве позволяет сформулировать рекомендации по организации скважинного мониторинга.

Наибольшей информативностью будут обладать данные по сдвижениям в наклонной скважине, расположенной над сводом тоннеля, так как именно в этой зоне сконцентрированы максимальные сдвижения и именно отсюда начинается процесс развития деформаций. Опыт использования подобных наклонных скважин уже имеется (при строительстве эскалаторного тоннеля станции «Спасская»). Такую скважину необходимо обустроить на минимально возможном расстоянии от свода тоннеля и установить в нее датчики наклонов. Вертикальную скважину для этих же целей необходимо размещать в точке предполагаемых максимальных оседаний в мульде (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Размещение мониторинговых скважин в сечении по оси Помимо контроля области деформаций над тоннелем, необходимо контролировать сдвижения и деформации в зонах массива по бокам от выработки.

В этих зонах концентрируются вертикальные сдвижения и наибольшие горизонтальные сдвижения, от величин которых существенно зависит вид распределения сдвижений в массиве и, соответственно, форма мульды на земной поверхности. Для контроля развития зоны деформаций в боковой части массива необходимо размещать вертикальные скважины в главном поперечном сечении на минимальном расстоянии от контура выработки (не более одного радиуса), как показано на рисунке 2.10. Такие скважины необходимо оборудовать системой датчиков, обеспечивающих контроль не только вертикальных, но и горизонтальных перемещений (сдвижений).

Устья скважин для деформационного мониторинга должны обязательно контролироваться в плане и по высоте, причем для этого желательно использовать вышеназванные станции с РЭТ.

Рисунок 2.10 – Размещение мониторинговой скважины в поперечном Резюмируя предложения по повышению эффективности скважинного мониторинга при строительстве эскалаторных тоннелей, дополнительно можно рекомендовать:

- размещение наклонной скважины над осью эскалаторного тоннеля;

- размещение вертикальной скважины в точке прогнозируемых максимальных оседаний;

- размещение вертикальных скважин с системой трехмерной регистрации смещений в поперечном главном сечении мульды;

- контроль планового и высотного положения устьев всех устроенных скважин.

2.5.3 Рекомендации по проведению мониторинга оседаний по грунтовым организованных при строительстве эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге, рекомендуется использовать линии реперов: одну в продольном главном сечении мульды и несколько линий в поперечном сечении мульды сдвижения. Количество поперечных линий реперов зависит от длины мульды вдоль оси тоннеля (или длины тоннеля). Форма мульды сдвижения от строительства эскалаторных тоннелей определяет необходимость устройства поперечной линии реперов через точку максимальной ширины мульды. Выбор расстояния между реперами наблюдательной станции должен быть обоснован возможностью описания форм мульд и анализа распределения деформаций в них. Для мульд небольших размеров (первые десятки метров) целесообразно применять интервалы длиной не рассмотренные, показывает, что значения получаемых деформаций могут существенно уменьшаться, что недопустимо при выполнении точной оценки сдвижений и деформаций.

сдвижений массива горных пород и земной поверхности, полученные при строительстве всех эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге, пройденных ТПМК. Произведена количественная оценка основных параметров процесса сдвижений и деформаций.

При исследовании данных натурных наблюдений вертикальных сдвижений на поверхности установлено, что рассчитанные по ним значения деформаций существенно превышают значения критических деформаций наклонов и кривизны, которые определяют зону опасного влияния процесса сдвижения на земную поверхность. Установлено, что геомеханические процессы продолжают развиваться около полугода после окончания проходки тоннеля, до 1,5-2,0 раз увеличивая величины сдвижений на момент завершения тоннелепроходческих работ.

На основе анализа данных скважинного мониторинга выявлены устойчивые закономерности развития деформационных процессов в массиве горных пород.

Вертикальные сдвижения интенсивнее всего проявляются в четвертичных породах за зоной грунтозакрепления. С приближением к поверхности оседания затухают. Даже при благоприятных условиях проходки оседания на поверхности не удается снизить до уровня ниже 50-60 мм.