Исследование динамики сдвижения земной поверхности при строительстве тоннелей

УДК 622.272 И.Л. Никифорова

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ

Рассмотрены вопросы исследования деформационных процессов, происходящих на земной поверхности в зоне влияния строительства современных транспортных тоннелей. Получены качественные и количественные данные о характере и параметрах указанных процессов на примере строительства тоннелей большого сечения в г.Москве. Ключевые слова: деформационные процессы, магистральные тоннели,

ТЬ последние годы в Москве наряду

-Ж-^со строительством многоуровневых подземных стоянок, технических, складских, торговых и многофункциональных комплексов, расширением существующих наземных транспортных систем активно ведутся работы по сооружению протяженных магистральных тоннелей и тоннелей метрополитена с применением современных технологий.

При этом в транспортном строительстве преобладают тенденции:

— увеличения протяженности и размеров поперечного сечения тоннелей с целью достижения максимальной пропускной способности при минимальности породного перекрытия над ними;

— совмещения автодорожных тоннелей с другими подземными и наземными сооружениями: железнодорожными тоннелями, тоннелями метрополитена, пешеходными переходами и коллекторами;

— реализации крупных проектов строительства в неустойчивых и неоднородных породах при малой степени их предварительной разведки с поверхности.

Использование для проходки более совершенных тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) с

активным пригрузом забоя существенно изменило подход к выбору трассы городских транспортных тоннелей и метрополитенов, позволяя нейтрализовать негативные природные факторы, связанные с особенностями инженерногеологических условий и осуществлять строительство с высокой скоростью. Очевидно, что стремление сооружать тоннели на меньшей глубине вызвано не только экономическими причинами -снижением затрат на строительство и эксплуатацию, но и желанием за счет доступа сделать тоннели более комфортными для использования.

При всех бесспорных достоинствах современных ТПМК (помимо высоких скоростей проходки): высокой степени автоматизации и технологического контроля всех процессов и, как следствие, высокого уровня безопасности строительства, они обеспечивают минимизацию сдвижения земной поверхности над строящимся тоннелем, но не могут полностью их исключить, т.к. безопасность и качество строительства определяется не только инженерно-геологическими условиями на участке строительства, но и уровнем инженерной деятельности человека (достоверностью проектных данных, уровнем и своевременностью принимаемых технических решений, со-

блюдением применяемой технологии и

др.).

При этом в целом использование подобных ТПМК, обеспечивающих скорость подвигания забоев 8-12 м/сут, является еще относительно новым явлением. Поэтому изучение процессов сдвижения земной поверхности в зоне влияния проходки городских тоннелей является на сегодняшний день весьма актуальным.

В Москве большинство тоннелей прокладывается в верхних горизонтах земной коры, представленных осадочными комплексами горных пород (глины, известняки, пески и т.д.), часто за-карстованных и выветрелых, суффози-онно-неустойчивых, плывунных и др. В таких грунтах интенсивные горные работы на относительно небольших глубинах, вблизи зон тектонических нарушений, древних эрозионных врезов вызывают сдвижение прилегающего массива и изменение рельефа земной поверхности, приводя к появлению знакопеременных деформаций в наземных объектах и системах различного назначения вплоть до их полного разрушения или сокращения (по сравнению с проектным) времени их безопасного функционирования.

Интегральным показателем качества как проектных, так и строительных работ, а также состояния вмещающего тоннель массива являются его сдвижения и деформации, оцениваемые геодезическими и маркшейдерскими методами в разовом режиме, в форме мониторинговых измерений, в режиме непрерывных наблюдений [1-3]. Получение оперативной информации о развитии процесса сдвижения позволяет решать вопросы охраны и безопасной эксплуатации объектов, попадающих в область влияния горных работ; управлять процессом сдвижения горных пород.

В данной работе рассматривается анализ процесса сдвижения земной поверхности и динамики величин оседания грунтового массива в период строительства Лефортовского и Серебряноборского тоннелей в Москве.

Эти два уникальных подземных объекта как по своей протяженности, так и по условиям строительства, представляют собой новый тип городской автомагистрали, пересекающей крупные городские районы со всеми многообразными элементами городской среды. Причем Серебряноборские (левый транспортный ЛТТ и правый транспортный ПТТ) тоннели внутренним диаметром 12,35м стали первыми в России двухъярусными комбинированными тоннелями, предназначенными для организации в них одновременного совмещенного движения в разных уровнях: автомобилей (верхний уровень) и поездов метрополитена (нижний уровень).

Проходка велась в песчаных и глинистых грунтах четвертичного, мелового и юрских возрастов, а также трещиноватых известняках с прослоями глин и мергелей на глубинах 21-45 м по технологии фирмы «НеггепкпесЫ», предусматривающей использование ТПМК со щитом наружным диаметром 14,2м и активным гидропригрузом забоя. Головным проходческим агрегатом данного ТПМК является механизированный щит ({^¡хБЫеЫ»), обеспечивающий сооружение тоннелей в водонасыщенных песчано-глинистых грунтах с коэффициентом крепости по М.М. Протодъяко-нову £=0.3—1.0, а также в устойчивых твердых глинах и водоносных трещиноватых полускальных и скальных грунтах с £=1.5—4.

Длина участков, сооружаемых закрытым способом, составила:

- Лефортовского тоннеля - 2205м;

- каждого из 2-х транспортных тоннелей под Серебряным бором - 1511 м.

Технологический цикл сооружения тоннеля включал выполнение следующих основных операций: резание породы; монтаж кольца обделки; нагнетание раствора за обделку. Нагнетание за обделку в очередное смонтированное кольцо производилось под давлением до 0,6МПа одновременно по всему периметру кольца и непрерывно в процессе движения проходческого щита. Принятая технология проходки тоннелей включала также современные компьютерные навигационную и управляющую системы, обеспечивающие ведение щита с минимальными отклонениями в плане и профиле. Проходческие работы выполнялись в круглосуточном режиме. Среднемесячные скорости проходки Лефортовского тоннеля составили 155 м/мес при максимальной скорости 248 м/мес в январе 2003г. Максимальная скорость проходки при строительстве Серебряноборских тоннелей составила 16м/сут (8 колец).

Ожидаемое максимальное значение оседания земной поверхности определялось из условия образования технологического зазора между грунтом и блочной обделки, который автоматически заделывался раствором. Степень его заполнения нагнетаемым раствором зависит от несущей способности грунтов над хвостовой оболочкой. При этом несвоевременное заполнение строительного зазора в несвязных грунтах - обычно наиболее частая причина осадок, т.к. даже при самом тщательном проведении нагнетания, грунт в кровле выработки в течение времени, необходимого для твердения раствора, имеет возможность деформироваться в сторону обделки, что создает условия возникновения значительных осадок земной поверхности. Для данного ТПМК диаметр выработки

в зоне хвостовой оболочки мог изменяться от 14220мм (при работе копир-резца) или 14180 мм до 14100 мм ввиду ее конусности. Таким образом, вокруг хвостовой оболочки образовывался технологический зазор величиной от 120мм до 80 мм.

С другой стороны, при недостаточной глубине заложения тоннеля и активном пригрузе забоя избыточным давлением возможны поднятия земной поверхности (выпор грунта) впереди забоя и вызванные ими деформации, или при большей глубине - увеличение оседания над забоем, т.к. избыточное давление как бы выталкивает грунт вперед, а в образовавшееся пространство оседает грунт, находящийся непосредственно над забоем. Поэтому давление бентонита при проходке незатампонированных или недостаточно затампонированных скважин, под зонами значительной трещиноватости и карстовыми кавернами, под коммуникациями, строениями и дорогами не должно превышать 0,4 МПа.

Для обеспечения сохранности городской застройки и эксплуатируемых инженерных коммуникаций, попадающих в зону влияния проходческих работ, наблюдательные станции были заложены в грунтовый массив на земной поверхности с интервалом 30м перпендикулярно оси тоннеля. Ширина возможной зоны влияния проходческих работ, в границах которой проводились наблюдения, была установлена величиной 1,5 глубины заложения тоннеля (по каждую сторону).

а) при строительстве Лефортовского тоннеля; б) при строительстве Серебряноборского

тоннеля

Рис. 1. Распределения оседаний в подрабатываемом массиве при проходке тоннеля

Расстояние между рабочими реперами принято 4-7 м. Общее количество профильных линий при строительстве Лефортовского тоннеля составило 16 шт., при строительстве Серебряноборского тоннеля - 51 шт. Режим измерений был следующий: первый полный цикл наблюдения реперов каждой профильной линии выполнялся за 3 месяца до подхода ротора щита к пикету профильной линии; второй режим - наблюдение деформационных марок в пределах зоны -50 м ^ +20 м относительно ротора. В среднем по каждой профильной линии было выполнено 5-10 циклов наблюдений.

По всем линиям грунтовых реперов были построены мульды оседания земной поверхности, соответствующие различным по времени циклам на стадии проходки, а также графики нарастания оседаний земной поверхности по грунтовым реперам, расположенным непосредственно над тоннелями. Результаты исследований рассмотрены на примере наиболее характерных профильных линий грунтовых реперов.

Как показали наблюдения, оседания земной поверхности для каждого из тоннелей оказались меньше ожидаемых и фактически составили 4-20 мм. Наклоны достигли величин +0,7-10-3 (ПК 15+10 трассы Лефортовского тоннеля) и -1,3 -10-3 (ПК 22+10 трассы Серебряноборского тоннеля). При этом максимальные оседания были зафиксированы над осью тоннелей; зоны оседания, оконтуриваемые изолинией 0 мм, преимущественно располагаются на расстоянии 25-35 м от проекции оси тоннеля на земную поверхность, в то время как зона оседания, оконтуриваемая изолинией -5мм,

- на расстоянии 10-15 м (рис.1).

Анализ динамики развития процесса оседания показал, что в момент прохож-

дения забоем створа профильных линий прирост оседания составил около 2-8 мм, что соответствовало 0,26-0,39 его окончательного значения. После прохождения ПК профильной линии и до выхода ТПМК из-под нее наблюдался активный прирост оседаний с относительно постоянной скоростью 0,5-2 мм/сут. Максимальная скорость оседаний земной поверхности составила 3,5 мм/сут. К концу этого периода (7-10 дней) оседание реперов профильных линий составило 66-98% от максимальной величины, что было связано с деформацией постоянной крепи выработки и уменьшением строительного зазора между обделкой и массивом до производства тампонажных работ. На рис. 2 показан пример оседания земной поверхности по грунтовым реперам над осью тоннеля и над его гранями.

После выхода ТПМК за пикет профильных линий наступил период затухания развития дальнейших деформаций, а на некоторых из них был даже отмечен подъем реперов до 1,0 мм. При отходе забоя на расстояние более 1,2Н процесс сдвижения поверхности практически закончился.

Таким образом, в результате выполненных работ были получены следующие характерные для проходки тоннелей с использованием высокотехнологичного ТПМК фирмы «НеггепкпесЫ» в Москве особенности появления сдвижений на земной поверхности (рис. 2):

- максимальные оседания поверхности локализуются над осью тоннеля;

- границы зоны сдвижений в главных сечениях мульды оседания симметричны относительно оси тоннеля, а длины полумульд примерно равны глубине заложения тоннеля;

Рис. 2. График оседаний реперов, закрепленных в грунтовом массиве над гранями тоннеля (г26/8 и г26/12) и над осью (г26/10) по профильной линии №26 ПК20+30

- процесс сдвижений поверхности в продольном направлении начинается еще до приближения забоя выработки к пикету профильной линии, резко интенсифицируется при прохождении забоя под точкой и затухает при удалении забоя.

С учётом перспективы строительства тоннелей полученные закономерности будут напрямую связаны с повышением эффективности капиталовложений и сохранностью наземных зданий и инженерных сооружений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях», М., «Недра», 1981.

2. «Инструкция по наблюдениям за сдвижением земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Мо-

скве подземных сооружений», М., изд-во ИП-КОН РАН, 1997.

3. МГСН 2.07-01 Московские городские строительные нормы «Основания, фундаменты и подземные сооружения»

4. Оглоблин Д. Н., Герасименко Г. И. «Маркшейдерское дело», М., «Недра», 1981.

— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------

Никифорова И.Л. - горный инженер-маркшейдер, младший научный сотрудник УРАН ИШЮН РАН, nikiforova495@mail.ru

А