Применение высоких технологий при освоении подземного пространства городов

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ГОРОДОВ

HIGH TECHNOLOGIES IN THE USE OF MEGAPOLIS UNDEGROUND SPACE

М.Г. Зерцалов, Д.С. Конюхов

МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР

В статье рассмотрены высокотехнологичные способы возведения сооружений, используемые в подземном строительстве. Даны конкретные рекомендации для использования конкретных технологий для различных условий строительства.

High technological ways of underground construction are considered in the paper. Specified recommendations for different conditions of construction are offered.

B последние годы во всём мире наблюдается увеличение объёмов использования новых, высоких технологий подземного строительства и качественного развития тон-нелепроходческой техники [1, 2, 3]. Впервые термин «высокие технологии» применительно к строительству подземных сооружений, по-видимому, был введён Е.В. Петренко. В.М. Мостковым в работе [2] это понятие формулируется следующим образом: «под высокой технологией следует понимать технологии, основанные на принципах, резко отличающихся от ранее известных - с одной стороны, либо приводящие к иным результатам, либо исключающие вредные явления, либо увеличивающие эффект - с другой... Все высокие технологии в подземном строительстве любой отрасли связаны друг с другом одинаковыми технологическими операциями, механизмами, конструкциями, однако в различных инженерно-геологических условиях они отличаются друг от друга». При этом высокими технологиями принято было считать:

• проходку тоннелей высотой до 7-8 м в породах крепких и средней крепости, сплошным забоем с использованием БВР и крепью из набрызг-бетона и анкеров;

• проходка тоннелей высотой более 7-8 м способом нижнего уступа с использованием БВР;

• норвежский способ строительства с использованием БВР;

• новоавстрийский способ с применением БВР и комбайнов избирательного действия;

• проходку тоннелей комбайнами роторного типа;

• применением механизированных щитов;

• применение щитов с пригрузом забоя.

Со временем это представление несколько изменилось и расширилось и в настоящее время, согласно С.Н. Власову, под «высокими технологиями» в подземном строительстве принято понимать технологические процессы, выполняемые с использованием высокопроизводительного оборудования, адаптируемого к геологическим условиям, и компьютерным управлением отдельными операциями, приводящие к новым результатам или устраняющие вредные явления [1]. Прежде всего, это относится

к строительству тоннелей в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях с помощью механизированных тоннелепроходческих комплексов с пригру-зом забоя с использованием водонепроницаемых железобетонных обделок кругового очертания с эластомерными резиновыми уплотнениями стыков. Эти комплексы позволяют максимально автоматизировать все операции проходческого цикла, унифицировать технологические и конструктивные решения строительства, снизить до минимума количество проходчиков и обслуживающего персонала. Кроме этого, к перечню высоких технологией были добавлены:

• компьютеризированные буровые установки, комплексно обуривающие забой;

• механизированные опалубочные комплексы, предназначенные для возведения многослойных монолитных бетонных обделок со встроенными системами гидроизоляции и дренажа;

При этом авторами [1, 2] не рассматривались технологические процессы, связанные со строительством подземных сооружений мелкого заложения, хотя многие из них в значительной мере соответствуют сформулированным в [1, 2] определениям высоких технологий подземного строительства.

Одним из основных направлений современного подземного строительства является обеспечение максимальной сохранности и эксплуатационной надёжности существующей застройки в совокупности с постоянным увеличением безопасности ведения строительных и проходческих работ. С этим непосредственно связана и еще одна современная тенденция применения «высоких технологий» подземного строительства -максимально возможная автоматизация ведения работ, начиная от использования систем спутниковой связи точного позиционирования GPS (Global Positioning System) при геодезическом и маркшейдерском обеспечении строительства и до применения автоматизированных щитовых комплексов и робототехники.

Учитывая произошедшие в последние годы существенные изменения в техническом оснащении, а также распространяя термин «высокие технологии» подземного строительства на ведение работ открытым способом, нами был выполнен анализ современных технологических процессов, применяемых технических приёмов, машин и механизмов. Он показал, что в настоящее время к высоким технологиям в первую очередь можно отнести:

1. При строительстве подземных сооружений открытым способом:

• применение высокомобильных малогабаритных установок для вдавливания металлических свай и шпунта для возведения ограждающих конструкций котлованов;

• устройство ограждений котлованов типа «стена в грунте» сборно-монолитного типа, в том числе с предварительным напряжением, а также применение свай РИТ и jet-свай, горизонтальных и тонких вертикальных противофильтрационных завес;

• полузакрытый способ строительства.

2. При строительстве подземных сооружений закрытым способом:

• применение механизированных проходческих щитов с несколькими планшайбами;

• DOT-щиты с рабочими органами избирательного действия для строительства подводных тоннелей;

• автоматические и модульные щитовые комплексы;

• модернизации новоавстрийского способа строительства, такие как CD-NATM, т.е. разработка забоя по частям короткими уступами с применением временной центральной стенки, «метод крестообразных диафрагм» и применение НАТМ в нескальных грунтах;

_МГСУ

3. Специальные способы подземного строительства:

• предварительное крепление кровли и лба забоя;

• бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций;

Сформированные нами в результате проведённого анализа перечень и области применения «высоких технологий» подземного строительства, приведёны в табл. 1. Здесь необходимо отметить, что в этой таблице не учтены получившие широкое распространение в последние годы высокотехнологичные методы обеспечения сохранности существующей застройки, такие как устройство геотехнических барьеров, компенсационное нагнетание и др.

Таблица 1.

«Высокие технологии» подземного строительства

Способ Модификация, элементы «высоких технологий» Область применения

Открытый

Ограждение котлованов из металлических труб и шпунта

Вдавливание труб и шпунта

Плотная городская застройка, если необходимо исключить динамическое, вибрационное и акустическое воздействие на окружающую среду и существующую за-

1

стройку

Сборно-монолитная траншейного типа, в том числе с предварительным напряжением

Сложные гидрогеологические условия, при использовании листовой арматуры в

качестве металлоизоляции и контроле качества железобетонных элементов, изготавливаемых на поверхности_

Увеличение глубины котлована при работе ограждения по консольной схеме

С контрфорсами

Большая площадь и глубина котлована, отсутствие существующей застройки

Из буросекущихся и бурока-сающихся свай

Большая мощность техногенных отложений и близко расположенные подземных сооружения и инженерные коммуника-_ции_

«Стена в грунте»

Из свай РИТ

Из jet-cвaй с армированием и химическими добавками, ускоряющими схватывание и увеличивающими прочность грунтоцементного камня на _одноосное сжатие_

Большая мощность техногенных отложений, плотная городская застройка, глубина котлована до 8-10 м.

Из jet-свай с горизонтальной ПФЗ

Высокий уровень подземных вод, глубокое залегание водоупора, использование горизонтальной ПФЗ в качестве распорного диска. Глубина ПФЗ не более 10 диаметров jet-cвaй, её образующих.

С тонкой вертикальной ПФЗ, изготавливаемой по техноло-_гии jet-grouting_

Высокий уровень подземных вод, глубокое залегание водоупора, большая пло-_щадь котлована_

1 Под существующей застройкой понимаются как наземные здания, так и подземные сооружения, расположенные в зоне влияния строительства

4/

С грунтовыми анкерами Не рекомендуется в близи существующей застройки

Полузакрытый

Сверху-вниз С опережающим возведением перекрытия В условиях плотной застройки исторического центра, где необходимо отказаться от откопки открытого котлована. Междуярусные перекрытия одновременно выполняют роль распорок, обеспечивающих устойчивость стен

С опережающей разработкой грунта

Комбинированный

Снизу-вверх В условиях плотной городской застройки центра, при глубине котлована до 5-7 м.

Вверх-вниз В условиях плотной застройки исторического центра, большой глубине котлована, высоком уровне подземных вод

Полу-полузакрытый (semi-top-down) В условиях плотной городской застройки, а также если необходимость снижения стоимости строительства преобладает над его общей продолжительностью

Закрытый

Буровзрывной Сплошного забоя В породах, сохраняющих устойчивость забоя в течение времени, необходимого для установки крепи

Нижним уступом В породах, сохраняющих устойчивость забоя в течение времени, необходимого для установки крепи, при высоте выработки более 8 м, в нескальных грунтах и при преодолении зон нарушений сплошности в сочетании с опережающей крепью

Разработка на полное сечение В нескальных грунтах

Комбайновый Избирательного действия В необводнённых скальных и полускальных грунтах. Выработки любой формы сечения, кроме круговой

На полный профиль Выработки кругового (диаметром до 14,9 м) и подковообразного (площадью сечения до 80 м2) очертания в необводнённых скальных и полускальных грунтах.

Щитовой Роторного типа Однородные, необводнённые нескальные и скальные грунты

Избирательного действия Нескальные, необводнённые грунты с твёрдыми включениями

Экскаваторного типа Нескальные, необводнённые грунты

С несколькими планшайбами Строительство многопутных тоннелей, камерных выработок и проч.

БОТ-щиты с рабочими органами избирательного действия Строительство подводных тоннелей

Автоматические щиты Коллекторные тоннели длиной до 1 км и диаметром до 2 м в нескальных грунтах

Модульные комплексы Строительство тоннелей овального поперечного сечения в водонасыщенных нескальных грунтах

НАТМ Применение роботизированных установок для нанесения смеси и систем автоматизированного мониторинга, армирование стальной фиброй, добавки микросиликатов, пластификаторов и ускорителей схватывания Нескальные и трещиноватые скальные грунты, сохраняющие устойчивость на период, необходимый для закрепления одной заходки, при изменении поперечного сечения тоннелей по длине, в выработках небольшой протяженности

СБ-ЫЛТМ Выработки большого сечения

Специальные

Углубление подвалов существующих зданий Вдавливаемые металлические сваи Плотная городская застройка, водонасы-щенные нескальные грунты

Буроинъекционные сваи

Щиты с пригрузом забоя Суспензионный пригруз Водонасыщенные средне- и крупнозернистые пески, гравийно-галечниковый грунт, плотная городская застройка, подводные тоннели

Грунтовый пригруз Глины, илы, водонасыщенные мелкозернистые пески, плотная городская застройка, подводные тоннели

Пеногрунтовый пригруз Водонасыщенные песчаные грунты, плотная городская застройка, подводные тоннели

Воздушный пригруз Водонасыщенные пылеватые и мелкозернистые пески, слои глин, разделяющих песчаные грунты с напорными подземными водами, плотная городская застройка, подводные тоннели

Предварительное крепление кровли и лба забоя Экраны из труб Нескальные, сильнотрещиноватые скальные грунты, переходы под насыпями автомобильных и железных дорог, улицами, существующей застройкой

Экраны из труб по технологии микротонелирования Строительство тоннелей и камер сечением более 40 м2 на глубине более 2 мот дневной поверхности в необводнённых, нескальных грунтах, в том числе с включением гальки и валунов

Экраны из горизонтальных jet-cвaй Нескальные грунты, переходы под насыпями автомобильных и железных дорог, улицами, существующей застройкой и вблизи от неё

Крепление кровли и лба забоя струйной цементацией Водонасыщенные пески и супеси

Крепление лба забоя фибер-глассовыми анкерами Неустойчивые глинистые грунты

Бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций Пневмопробойники Прокладка трубопроводов длиной до 50 м через автомобильные и железные дороги на глубине до 5 м

Прокол Прокладка труб диаметром до 500 мм, длиной до 60 м

Горизонтальное направленное бурение Скважины диаметром до 1,5 м, длиной до 2 км

Продавливание в тиксотроп-ной рубашке Прокладка железобетонных конструкций диаметром до 5,6 м и длиной до 400 м

Продавливание стальных трубопроводов Длина более 1 км, диаметр до 4,5 м в неустойчивых обводнённых грунтах при гидростатическим напоре до 30 м

Продавливающие установки с перфораторным рабочим органом Стальные трубы диаметром до 1300 мм длиной до 150 м в скальных грунтах

Продавливание по методу Фронте Продавливание труб в условиях недопущения вертикальных перемещений грунта

Микротоннелирование Трубопроводы и подводные переходы диаметром до 2 ми длиной до 2 км в во-донасыщенных нескальных грунтах

Проходка камерных выработок НАТМ с использованием метода «крестообразных диафрагм» Необводнённые нескальные грунты, плотная городская застройка

Отдельные технологические операции и элементы

Конвейерный транспорт грунта Плотная городская застройка, скоростная проходка

Обделки Высокоточные сборные Обводнённые, нескальные грунты, гидростатическое давление подземных вод, подводные тоннели, плотная городская застройка

Сборная спирального типа

Сборные из шестиугольных сегментов

Монолитно-прессованные Коллекторные тоннели диаметром до 4 м

Монолитно-прессованные, с армированием стальной фиброй Тоннели диаметром до 8,4 м в обводнённых, нескальных грунтах; плотная городская застройка

Автоматизированные и роботизированные системы транспортировки и монтажа сборной обделки Тоннели протяжённостью более 1 км

Высокоточные навигационные системы, в том числе с использованием GPS Геодезическое и маркшейдерское обеспечение строительства

На основании выполненного анализа современных технологических процессов и приёмов можно следующим образом развить представление Е.В. Петренко, В.М. Мос-ткова и С.Н. Власова о высоких технологиях подземного строительства: «высокие технологии» - это технологические процессы, машины и механизмы, позволяющие максимально безопасно «вписать» подземное сооружение в сложившуюся геоэкологическую и техногенную среду. Таким образом, к «высоким технологиям» можно отнести только те из существующих методов ведения работ и применяемого оборудования, которые обеспечивают максимально возможные механизацию и автоматизацию строительства, качество и безопасность возведения подземных сооружений, сохранность и безопасную эксплуатацию существующей застройки, минимальное влияние строительства на геоэкологическую среду.

Литература

1. Абрамчук В.П., Власов С.Н., Мостков В.М. Подземные сооружения. - М.: ТА Инжиниринг, 2005. - 464 с.

2. Башмаков В.М., Мостков В.М. Высокие технологии строительства тоннелей/ Новое в отечественном и зарубежном подземном строительстве - Приложение к журналу Подземное пространство мира. - М.: 1996.

3. Левченко А.Н., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды/ Под ред. Е.В. Петренко. - М.: ТИМР, 2002. - 406 с.

Ключевые слова: высокие технологии в строительстве, технологический процесс, проходка тоннеля, открытый способ строительства, механизированный проходческий щит, компьютеризированная буровая установка, стена в грунте, буронабивная свая, jet - свая.

Key words: high technology in underground construction, technological process, tunnel driving, cut and cover way of construction, tunnel boring machine, computerized boring installation, slurry wall, drilled shaft, jet-pile.