Напряженно-деформированное состояние обделок наклонных тоннелей, сооруженных по различным технологическим схемам

УДК 622.831

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБДЕЛОК НАКЛОННЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖЕННЫХ ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ СХЕМАМ

М.О. Лебедев, Г.Д. Егоров

Приводятся результаты исследований напряженно-деформированного состояния обделки тоннелей в составе геотехнического мониторинга с учетом принятой технологии строительства. С помощью тензометров, размещенных на внешнем и внутреннем контурах крепи и обделки, определены величины нормальных тангенциальных напряжений. Для технологической схемы с наличием временной кольцевой крепи усилия в постоянной обделке практически отсутствуют. Современные конструкции обделок, методы их возведения и технология проходки наклонных тоннелей позволяют минимизировать деформации дневной поверхности по сравнению с классической для Санкт-Петербурга технологией - методом замораживания.

Ключевые слова: тоннель, обделка, напряжения, деформации, технология.

С появлением новых технологий по стабилизации грунтов и возведению строительных конструкций в Санкт-Петербургском метрополитене реализованы 3 технологические схемы при строительстве наклонных тоннелей.

Единственной технологической схемой при строительстве наклонных (эскалаторных) тоннелей Санкт-Петербургского (Ленинградского) метрополитена было применение рассольного замораживания для стабилизации водонасыщенных, совершенно неустойчивых четвертичных отложений. Тоннель проходили со сборной круговой обделкой из чугунных тюбингов на полное сечение с ручной разработкой забоя. Во время оттаивания ледопородного цилиндра, сформировавшегося при замораживании, происходили значительные деформации обделки тоннеля и осадки земной поверхности [1].

С появлением в конце XX века новых технологий по возведению строительных конструкций, стабилизации грунтов и их разработке институтом ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» стали разрабатываться современные технологические схемы строительства эскалаторных тоннелей. Значительную роль здесь сыграл поиск малоосадочных технологий [2] для проходки подземных сооружений в условиях существующей застройки территории. В ряде случаев наличие зданий и сооружений на поверхности, представляющих историческую ценность, более чем на десятилетие откладывало строительство объектов метрополитена из-за отсутствия технологии строительства, обеспечивающей сохранность зданий.

Для строительства эскалаторного тоннеля станции «Звенигородская» был разработан комбинированный способ стабилизации водонасы-щенных четвертичных отложений [3,4]. Четвертичные отложения расположены до глубины 38,3...39,5 м от дневной поверхности, далее залегают протерозойские глины твердой консистенции.

На первом этапе применялась струйная технология для закрепления грунтов вокруг тоннеля. На втором этапе по контуру тоннеля, не выходя за пределы закрепленного грунта по технологии Jet, выполняли замораживание. Разработку грунта внутри закрепленного контура вели уступным способом экскаватором с погрузкой на скребковый конвейер. При проходке применяли временную арочно-бетонную крепь с установкой полигональных арок из двутавра №36 и шагом установки 0,75 м и заполнением межрамного пространства тяжелым бетоном класса В25. После проходки на всю длину возводили монолитную железобетонную обделку с использованием бетона класса В25 (рис.1).

Во время строительства наклонного хода осуществляли геотехнический мониторинг, который включал:

- оценку качества стабилизации грунтов;

- оценку устойчивости призабойной части тоннеля;

- определение напряженно-деформированного состояния крепи и обделки тоннеля;

- определение конвергенции внутреннего контура выработки;

- определение фактических деформационно-прочностных свойств вмещающих грунтов;

- оценку осадок дневной поверхности.

Напряженно-деформированное состояние крепи и обделки определяли по установленным в них струнным датчикам и последующей обработки показаний по специальным методикам. Конвергенцию контура выработки определяли лазерными дальномерами.

Фактические деформативно-прочностные свойства вмещающих грунтов вычисляли, зная скорости продольных и поперечных волн, полученных при сейсмопрофилировании. Осадку дневной поверхности и цоколей зданий измеряли по установленным реперам геодезическими приборами.

В результате натурных исследований напряженно-деформированного состояния системы «массив - крепь - обделка» получены зависимости величины нормальных тангенциальных напряжений в аркобетонной крепи от глубины заложения наклонного хода (табл.1).

На первом участке нормальные тангенциальные напряжения в двутаврах меняются от 50 до 20 МПа, среднее - 35 МПа, что соответствует горному давлению 5,16 т/м и составляет 0,37 от гравитационной составляющей yH.

На втором участке нормальные тангенциальные напряжения в двутаврах меняются от 200 до 0 МПа, средние - 60 МПа, что соответствует

Л

горному давлению 8,85 т/м~ и составляет 0,24 от гравитационной составляющей.

Рис. 1. Конструкция крепи и обделки: 1 - аркобетонная крепь; 2 - гидроизоляция; 3 - обделка;

4 - датчики

Таблица 1

Величины нормальных тангенциальных напряжений в аркобетонной крепи наклонного хода к станции «Звенигородская»

№ участка Грунты Глубина заложения (до шелыги свода), м Нормальные тангенциальные напряжения в бетоне, МПа

1 Четвертичные водонасы-щенные, тонкодисперсные 7 1,6

2 Четвертичные водонасы-щенные, тонкодисперсные 20,5 4,2

3 Четвертичные водонасы-щенные, тонкодисперсные на контакте с протерозойскими глинами 38 3,8

На третьем участке нормальные тангенциальные напряжения меняются от 60 до 30 МПа, среднее - 45,0 МПа, что соответствует горному давлению 6,64 т/м и составляет 0,1 от гравитационной составляющей.

В постоянной обделке напряжения практически равны нулю, крепь из двутавра с бетонным заполнением полностью воспринимает горное давление и имеет значительный запас несущей способности.

Максимальные осадки дневной поверхности после окончания строительства составили 90 мм.

При строительстве эскалаторных тоннелей к станциям «Обводный канал», «Адмиралтейская», «Спасская» был применен тоннелепроходче-ский механизированный комплекс (ТПМК) с грунтовым пригрузом забоя [5]. Обделка выполнена из водонепроницаемых железобетонных блоков с герметичными прокладками стыков.

Общая мощность слабых, совершенно неустойчивых обводненных отложений при строительстве эскалаторного тоннеля к ст. «Адмиралтейской» составляет около 28 м. Ниже, до глубины примерно 46 м, залегают суглинки лужской морены с включением гравия и гальки и отдельными валунами, тугопластичной консистенции с линзами супесей текучей консистенции и характеризуются как слабые, неустойчивые грунты. С глубины свыше 55 м залегают котлинские глины твердой консистенции с прослоями песчаника 1,5.. .5 см.

Обделка кругового очертания наружным диаметром 1040 см состоит из железобетонных гладких блоков шириной 100 см и толщиной 50 см, бетон водонепроницаемый, прочностью на сжатие 78,5 МПа. Блоки в стыках имеют герметизирующие прокладки. После монтажа кольца зазор между обделкой и грунтом заполняется твердеющим составом.

Напряженно-деформированное состояние обделки оценивали по нормальным тангенциальным напряжениям в блоках. Узлы размещения датчиков аналогичны рис.1.

По длине тоннеля датчиками были оснащены шесть колец обделки во всех литологических разностях (кольца № 20, 30, 43, 71, 94, 100). Характерный график формирования напряжений в обделке показан на рис.2.

В результате натурных исследований напряженно-деформированного состояния системы «обделка - массив» получены зависимости величины нормальных тангенциальных напряжений в аркобетонной крепи от глубины заложения наклонного хода (табл.2).

Анализ формирования усилий в обделке показал, что около 80 % от их конечной величины отмечается уже после заполнения заобделочного пространства тампонажным раствором при сходе кольца с оболочки щита. Абсолютные величины усилий в обделке значительно ниже прочностных

характеристик материала обделки, но при этом составляют до 2,0 от гравитационной составляющей. По периметру обделки растягивающих усилий зафиксировано не было.

Продолжительность наблюдений, дата

-о— деф-я

-л— напр-е

Рис. 2. Характерный график формирования усилий в сборной железобетонной обделке: 1 - деформации на внешнем контуре обделки; 2 - напряжения на внешнем контуре обделки;

3 - деформации на внутреннем контуре обделки;

4 - напряжения на внутреннем контуре обделки

Осадки дневной поверхности после окончания строительства для эскалаторных тоннелей к станциям «Обводный канал» и «Адмиралтейская» составили 80 мм.

Третьим по данной технологии строился эскалаторный тоннель станции «Спасская». Усилия в обделке соответствуют усилиям, измеренным на предыдущих двух наклонных тоннелях. Деформации поверхности уже не превысили 20 мм. Этому способствовал накопленный опыт в организации труда и отработанных параметрах ведения ТПМК, в том числе в качестве заполнения заобделочного пространства.

Наиболее эффективной для минимизации деформаций дневной поверхности показала себя схема строительства эскалаторного тоннеля под защитой стены в грунте и закрепления грунтов методом струйной цементации.

При строительстве второго выхода со станции «Спортивная» по периметру эскалаторного тоннеля и подземного вестибюля выполняется стена в грунте из монолитного железобетона. Внутри контура, ограниченного стеной в грунте, и за пределами стены в грунте вдоль оси наклонного хода, выполняется закрепление грунтов методом «струйной цементации».

Таблица 2

Величины нормальных тангенциальных напряжений в обделке наклонного хода к станции «Адмиралтейская»

№ участка Грунты Глубина заложения (до шелыги свода), м Нормальные тангенциальные напряжения в бетоне (max), МПа % yH

Четвертичные водона-

1 сыщенные, тонкодисперсные 9 7,0 2,0

Четвертичные водона-

2 сыщенные, тонкодисперсные 14,5 10,0 2,0

Четвертичные водона-

сыщенные, тонкодис-

3 персные на контакте с суглинками с включениями гравия 21 13,0 2,0

4 Суглинки с включениями гравия 35 12,5 1,4

Суглинки с включе-

ниями гравия на кон-

5 такте с водоносным горизонтом и протерозойскими глинами 46,5 18,0 1,6

Суглинки с включе-

ниями гравия на кон-

6 такте с водоносным горизонтом и протерозойскими глинами 49,5 20,0 1,6

Проходка эскалаторного тоннеля выполняется с механизированной разработкой забоя экскаватором и возведением временной аркобетонной крепи (установка кольцевых арок из двутавра и заполнением межрамного пространства набрызгбетоном класса В25). Возведение постоянной обдел-

ки начинается после проходки тоннеля с временной крепью на всю длину. По внутренней поверхности временной крепи наносится обмазочная гидроизоляция. Возведение постоянной обделки начинается с монтажа арматурных каркасов с последующей укладкой бетона сначала в нижнюю часть сечения тоннеля, а затем в верхнюю. Отставание бетонирования верхней части регламентируется условиями размещения и обслуживания опалубочного оборудования. Такая схема горнопроходческих работ была применена и при проходке эскалаторного тоннеля на станции «Звенигородская».

К сожалению, данная схема строительства имеет ограниченное применение в условиях Санкт-Петербурга из-за сравнительно незначительной мощности четвертичных отложений. Для рассмотренных условий мощность четвертичных отложений составила 20 метров при средней величине по Санкт-Петербургу 40 метров.

В результате натурных исследований напряженно-деформированного состояния системы «массив-крепь-обделка» получены зависимости величины нормальных тангенциальных напряжений в аркобетонной крепи от глубины заложения наклонного хода (табл.3).

Таблица 3

Величины нормальных тангенциальных напряжений в аркобетонной крепи наклонного хода к станции «Спортивная»

Глубина Нормальные

№ Грунты заложения тангенциальные

участка (до шелыги свода), м напряжения в бетоне, МПа

Четвертичные водона-

1 сыщенные, тонкодисперсные 12,5 4,0

Четвертичные водона-

2 сыщенные, тонкодисперсные 16,2 7,0

Четвертичные водона-

сыщенные, тонкодис-

3 персные на контакте с протерозойскими глинами 21,8 8,0

Зафиксированные величины напряжений в монолитной железобетонной обделке не превышают 3,0 МПа в нижнем контролируемом сечении (на границе четвертичных отложений и плотных глин), а в верхнем се-

чении составляют около 0 МПа. Величины усилий в обделке являются весьма незначительными по причине восприятия горного давления аркобе-тонной крепью.

Усилия в аркобетонной крепи и постоянной обделке сопоставимы с результатами, полученными для аналогичных конструкций при строительстве наклонного тоннеля к станции «Звенигородская».

Проходка эскалаторного тоннеля по рассмотренной технологии закончена в декабре 2013 года, при этом деформации поверхности составили 15...20 мм.

Полученные результаты напряженно-деформированного состояния крепи и обделок были сопоставлены с расчетными величинами, вычисленными методами механики сплошной среды и показали при применяемых технологиях и конструкциях в данных инженерно-геологических условиях хорошее совпадение.

Использование «временной» аркобетонной крепи с последующим возведением постоянной монолитной железобетонной обделки показывает одинаковые результаты их напряженно-деформированного состояния для разных методик стабилизации толщи четвертичных отложений. Полученные результаты исследований позволяют для последующего проектирования аналогичных тоннелей откорректировать функциональную роль арко-бетонной крепи и обделки и их параметры.

Разработанные конструкции крепи и обделки, а также технология их сооружения и проходки значительно снижают применение ручного труда. А снижение деформаций дневной поверхности дают возможность их использования в условиях существующей застройки дневной поверхности без дополнительных мероприятий по усилению зданий.

Список литературы

1. Новые технико-технологические решения для строительства тоннелей метрополитена в условиях мегаполиса. / В. А. Маслак, К.П. Безродный, М.О. Лебедев, С.Г. Гендлер // Горный журнал. №5. 2014. С. 57 - 60.

2. Малоосадочные технологии при строительстве метро в историческом центре Санкт-Петербурга / В. А. Маслак, К.П. Безродный, М.О. Лебедев, В. А. Марков, Г.Р. Захаров, А.П. Ледяев, А.Ю. Старков // Метро и тоннели. № 6. 2012 С. 28 - 31.

3. Комбинированная технология стабилизации грунтов при сооружении эскалаторных тоннелей станций Петербургского метрополитена. / К.П. Безродный, В. А. Маслак, В. А. Марков, М.О. Лебедев, А.Ю. Старков, А.В. Морозов, А.В. Уханов // Метро и тоннели. №5. 2009. С. 35 - 37.

4. Безродный К.П., Лебедев М.О., Уханов А.В. Взаимодействие строительных конструкций и вмещающего массива при экспериментальной проходке наклонного тоннеля Санкт-Петербургского метрополитена // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 4. 2009. С. 25-30.

5. Комплексный геотехнический мониторинг сопровождения строительства эскалаторных тоннелей в четвертичных водонасыщенных грунтах с помощью ТПМК / К.П. Безродный, М.О. Лебедев, В. А. Марков, А.Ю. Старков, Н.А. Лаптев, А.В. Морозов, А.В. Уханов // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных городов» 2011. С. 57 - 63.

Лебедев Михаил Олегович, канд. техн. наук, доц., зав. лабораторией, lebedev-lmgt@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипртранс»,

Егоров Григорий Дмитриевич, инженер, krisha1@ya.ru, Россия, Санкт-Петербург, ОАО «НИПИИ «Ленметрогипртранс»

STRAIN-STRESS STATE OF LININGS OF INCLINED TUNNELS CONSTRUCTED ACCORDING TO VARIOUS PROCESS SCHEMES

M.O. Lebedev, G.D. Egorov

The paper presents the results of studying strain-stress state of the tunnel lining in the scope of geotechnical monitoring taking into account the accepted construction technology. Normal tangential stresses were measured by using tensiometers mounted in the outer and inner loops of the tunnel timbering and lining. The process scheme that comprises temporary circular lining ensures almost absolute absence of forces within the permanent lining. Te up-to-date designs of linings, their construction techniques and methods for boring inclined tunnels enable minimizing of the daytime surface deformation as compared with the method classical for Saint Petersburg, namely, the freezing method.

Key words: tunnel, lining, stresses, strains, process scheme.

Lebedev Mikhail Olegovich, candidate of technical sciences, docent, Chief of Laboratory, lebedev-lmgt@yandex.ru, Russia, Saint Petersburg, Research and Survey Planning Institute OJSCNIPII "Lenmetrogiprtrans",

Egorov Grigory Dmitrievich, engineer, krisha1@ya.ru, Saint Petersburg, OJSC "NIPII "Lenmetrogiprtrans"