Формирование зоны сдвижений в грунтовом массиве при строительстве наклонных транспортных тоннелей

ослабления (трещинам, плоскостям напластования), ориентированным субпараллельно траекториям максимальных тангенциальных динамических напряжений. Совместное действие сил растяжения и сдвига по плоскостям ослабления вызывает появление откольных трещин, которые при повторных горных ударах формируют поверхность откола с обрушением пород. Для устойчивости выработок и особенно плоской слоистой кровли очистных камер наибольшую опасность представляют поверхности откола, параллельные их контуру. Соответственно неблагоприятным падением волны будет направление, составляющее с продольной осью выработки угол, близкий к 450. В этом случае траектории максимальных тангенциальных напряжений ориентированы по напластованию слоёв непосредственной кровли. Деформации растяжения и сдвига по контактам слоёв сопровождаются и усиливаются дилатанией (разуплотнением) по причине неровностей на площадках скола. Решающая роль сдвигающих напряжений в деформационных процессах в кровле камер подтверждается характерным (в виде «заводных ручек») изгибом стержней штанг, обыгранных обрушившейся породой.

На основе выявленных динамики сейсмических напряжений и закономерностей деформирования, вмещающих выработки пород, разработаны конструкции усиления упрочняющей штанговой крепи кровли камер и сопряжений пластовых выработок глубокими железобетонными анкерами. Параметры анкеров - длина, плотность расстановки - определены из условия предупреждения расслоения и резонансных колебаний непосредственной кровли. Для камер рекомендованы анкера глубиной 3,5 м, с расстановкой в пролёте камеры 1 - 3 рядов, с расстоянием между анкерами до 1,5 м, в зависимости от структуры непосредственной кровли. Для сопряжений очистных камер с рудными штреками предложены кусты из 9 анкеров длиной по 4,5 м, устанавливаемых в квадрате 1,5x1,5м. Разработанные рекомендации приняты ОАО «Севуралбокситруда» к внедрению.

Литература

1. Трушко О. В. Методики натурных исследований воздействия динамических явлений на горные выработки // Журнал «European research». Издательство «Проблемы науки». 2015 г. № «1» (2). С. 15-18.

Formation movement zones in the soil during the construction of an array of inclined transport tunnels Potemkin D.1, Trushko O.2 Формирование зоны сдвижений в грунтовом массиве при строительстве наклонных транспортных тоннелей Потёмкин Д. А.1, Трушко О. В.2

1Потёмкин Дмитрий Александрович /Potemkin Dmitriy - кандидат технических наук, доцент; 2Трушко Ольга Владимировна / Trushko Olga - кандидат технических наук, доцент, кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений, строительный факультет, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: в работе рассмотрены результаты математического моделирования строительства городского транспортного сооружения на примере наклонного эскалаторного тоннеля станции метро «Василеостровская» Санкт-Петербургского метрополитена. Основной акцент сделан на закономерности формирования зоны вызванных проходкой смещений в грунтовом массиве, в частности, оседаний земной

поверхности (так называемой мульды оседания), появление которой может вызвать нежелательное влияние на объекты городской застройки.

Abstract: the presented paper discusses the results of mathematical simulation of construction of a city's transport facility using the example of the inclined escalator tunnel of the «Vasileostrovskaya» subway station of the Saint Petersburg subway. The study focuses on the mechanisms of formation of zone of displacements caused by tunneling in soil mass, in particular, subsidence of earth surface (so-called subsidence trough), which can cause undesirable influence on a city's buildings and structures.

Ключевые слова: грунтовый массив, городские транспортные тоннели, зона сдвижений, деформационные критерии оценки.

Keywords: soil mass, city transport tunnels, sliding zone, deformation criteria of evaluation.

В настоящее время в Санкт-Петербурге продолжается реализация федеральной программы по развитию городской транспортной сети, в том числе метрополитена. Программой предусмотрено строительство новых и реконструкция ранее построенных станций. Одной из реконструируемых является станция «Василеостровская», для которой запланировано строительство второго выхода -наклонного эскалаторного тоннеля. Целью работы являлась прогнозная оценка сдвижений в грунтовом массиве и непосредственно земной поверхности в зоне влияния горных работ при строительстве второго вестибюля и наклонного хода станции «Василеостровская» метрополитена Санкт-Петербурга.

Для прогнозной оценки использовались методы математического моделирования геомеханических процессов на основе метода конечных элементов и данные натурных исследований сдвижений и деформаций горных пород. Приведенные результаты прогнозной оценки сдвижений и деформаций применимы для конкретных горно-геологических условий сооружения подземных выработок в районе участка строительства второго выхода станции «Василеостровская». Инженерно-геологические условия строительства в С. -Петербурге характеризуются наличием мощной толщи четвертичных отложений мелкодисперсных обводненных грунтов [1, 2]. Поддержание выработанного пространства большого размера в таких условиях является сложной инженерной задачей [3].

Комплекс сооружений включает в себя эскалаторный тоннель и два котлована: стартовый, для монтажа и запуска в работу ТПМК (тоннелепроходческий механизированный комплекс), и котлован под строительство вестибюля второго выхода ст. м. «Василеостровская». Открытые выработки комплекса сооружаются с применением технологии «стена в грунте».

Важным элементом технологии проходки эскалаторных тоннелей ТПМК является сооружение вспомогательных выработок, обеспечивающих возможность применения такой технологии. Основной выработкой из обозначенного ряда является стартовый котлован, где монтируется и откуда начинает работу ТПМК. Помимо стартового на станции «Василеостровская» запроектировано сооружение еще одного котлована под наземный вестибюль, для которого также используется технология «стена в грунте».

Строительство котлованов начинается с сооружения защитной конструкции «стена в грунте»: производится устройство буросекущихся свай длиной ~25,5 м, расположенных по окружности, диаметром ~23,0 м, эффективная мощность ограждения при этом ~1,0 м; далее производится устройство форшахты, выполняющей роль направляющей конструкции при разработке участков между сваями (называемых заходками). Грунт в заходках разрабатывается под защитой бентонитового раствора вприсечку с буросекущимися сваями, ширина заходок - 1,0 м. Далее, по мере поочередной разработки заходок, в них опускаются армокаркасы, и производится бетонирование методом вертикально перемещаемой трубы. Под

защитой «стены» экскаватором «обратная лопата» осуществляется выемка грунта под стартовый котлован и монтаж конструкций, обеспечивающих пуск ТПМК.

Далее производится устройство противофильтрационной завесы и дополнительного пригруза для механизированной проходки наклонного хода и зоны сопряжения путем закрепления грунтового массива по технологии струйной цементации. Следующий этап строительства предусматривает сооружение второй (внешней) «стены в грунте» под строительство вестибюля. Каждая заходка имеет ширину ~2,8 м и глубину 19,0 м (мощность «стены в грунте» - 0,6 м). Разработка грунта ведется установкой с плоским грейфером под защитой бентонитового раствора. В разработанную заходку опускаются армокаркасы (фиксируются на форшахту) и ограничитель, происходит бетонирование заходки снизу-вверх методом вертикально перемещаемой трубы. Последовательно формируется защитное ограждение, имеющее в плане размеры 36,0*40,0 м.

Новая для горно-геологических условий метрополитена Санкт-Петербурга технология сооружения эскалаторного тоннеля основана на применении тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) с грунтовым пригрузом забоя и сборной железобетонной высокоточной водонепроницаемой блочной обделки. Обделка имеет диаметр: Dн/Dв=10.4/9.4 м. Всего в моделях предусмотрено 15 укрупненных этапов проведения наклонного хода. Последний этап моделирования имитирует разработку грунта в котловане под вестибюль (в пределах внешней «стены в грунте») на глубину 4,0 м после проведения наклонного хода.

Инструментом оценки сдвижений и деформаций горных пород является математическое моделирование геомеханических процессов на базе метода конечных элементов (МКЭ), который реализован в программном продукте ABAQUS (часть расчетов выполнена в программном комплексе PLAXIS) [4].

Грунтовый массив моделировался четырехузловыми тетраэдрическими элементами типа «solid», конструкции «стена в грунте», конструкции котлована, обделка тоннеля - трехузловыми оболочечными элементами типа «shell». Общее количество элементов составило 700 000 шт. - во втором. Геометрические размеры грунтового массива приняты равными: длина (по оси X) - 200 м, ширина (по оси Y) -100 м, высота (по оси Z, являющейся вертикальной) - 80 м. Основными объектами в моделях выступали элементы, моделирующие грунтовые слои, элементы крепления котлована (открытой выработки), защитных сооружений и наклонной выработки.

Взаимная ориентация двух конструкций «стена в грунте» и обделки эскалаторного тоннеля представлена на рисунке 1, а, на рисунке 1, б - дан общий вид конечно-элементной модели грунтового массива. Первой сооружается «круговая» «стена в грунте», затем в работу вступает массив грунта, подверженный цементации, одновременно с сооружением второй (внешней) «стеной в грунте» под вестибюль. Далее производится выемка грунта под возведение конструкций котлована и возведение собственно конструкций. Затем следует проходка наклонного хода с частичным демонтажем конструкций котлована и обеих «стен в грунте». Проведение наклонного хода моделировалось пятнадцатью укрупненными этапами (по 5 колец обделки).

Грунтовые слои, ввиду своей многочисленности, разнообразия свойств и мощности, сгруппированы из соображений схожести физико-механических свойств. В модели массив представлен шестью группами слоев. В расчетах грунты рассматриваются как упруго-пластическая среда, прочность которой задается известным критерием Кулона-Мора. Расчетные физико-механические свойства грунтов в районе строительства представлены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные физико-механические характеристики групп грунтовых слоев для

рассматриваемых условий

№ п/п Наименование Мощность слоя, м у, кг/м3 Е, МПа V с, МПа Ф, °

1 Группа № 1 5,0 2,00 21,0 0,33 0,005 32

2 Группа № 2 20,5 1,94 7,6 0,39 0,005 12

3 Группа № 3 2,0 2,06 13,1 0,34 0,015 23

4 Группа № 4 5,3 2,10 14,0 0,35 0,032 24

5 Группа № 5 8,7 2,20 80,0 0,35 0,038 20

6 Группа № 6 38,5 2,27 150,0 0,35 0,080 22

б)

Рис. 1. Взаимное расположение элементов модели а - взаимная ориентация элементов железобетонных конструкций; б - общий вид конечно-элементной модели грунтового массива, вмещающего рассматриваемый

объект

На рисунке 2, а показана ориентация характерных сечений вместе с зоной интенсивных вертикальных смещений (до 0,0010...0,0015 м), а на рисунке 2, б показан пример эпюры распределения вертикальных смещений поверхности по характерному сечению 1.

а)

б)

Рис. 2. Распределение вертикальных смещений в грунтовом массиве а - зона интенсивные вертикальных смещений; б - эпюра распределения горизонтальных смещений по первому сечению (по вертикали даны значения смещений, по горизонтали - расстояние от внешней стены) Рассматриваемые объекты оказывают существенное влияние на грунтовый массив. Максимальные оседания от каждого из котлованов превышают 10-15 мм, от эскалаторного тоннеля превышают 40 мм.

Зона сдвижений после возведения стен в грунте и выемке грунта котлованов вне зоны грунтозакрепления распространяется от стен котлованов не более чем на 15-20 м, причем максимум оседаний приходится на первые метры от стены. С удалением на 10 м сдвижения становятся соизмеримы с точностью натурных наблюдений за сдвижениями. В наиболее неблагоприятной области (с точки зрения возможного развития деформаций) в районе примыкания всех трех выработок сдвижения пород сдерживаются за счет ввода грунтозакрепления, которое выполняет свою функцию, ограничивая развитие деформаций. Оседания и горизонтальные сдвижения в этой зоне не превышали первых миллиметров.

Наиболее развитая зона деформаций от сооружения эскалаторного тоннеля локализована за пределами грунтозакрепления в конце первой трети тоннеля и приурочена к слоям наиболее слабых пород. Зона максимальных оседаний на

поверхности удалена от котлованов на 20-25 метров. Здесь оседания достигают величин в 40-45 мм. Анализ областей наложения сдвижений от разных выработок показывает, что зоны максимальных сдвижений от котлованов и эскалаторного тоннеля не накладываются одна на другую в основном за счет работы грунтозакрепления.

Литература

1. Алексеев А. В., Нагорный С. Я., Рютина Т. П. Оценка физико-механических свойств верхнепротерозойских глин как среды строительства подземных сооружений Санкт-Петербурга. АО «Тим». Санкт-Петербург. 1993 г. 118 с.

2. Инструкция по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов, горных железнодорожных и автодорожных тоннелей. Ведомственные строительные нормы 190-78. Минтрансстрой. Москва. 1978 г. 39 с.

3. Потемкин Д. А., Деменков П. А., Очнев В. Н. Напряженно-деформированное состояние обделок станционного комплекса метрополитена, испытывающего влияние свайного фундамента. «Записки Горного института». Санкт-Петербург. Том 185. 2010 г. С. 235-239.

4. Новоженин С. Ю. Прогноз сдвижений и деформаций горных пород при сооружении эскалаторных тоннелей метрополитена тоннелепроходческими механизированными комплексами / С. Ю. Новоженин: автореф. дисс. канд. техн. наук. - Санкт-Петербург: Горный университет. 2014 г. 147 с.

Optimization of selection of points and sites of thermal power plants under construction from environmental point of view: a brief overview of research Kuz'min V.

Оптимизация выбора пунктов и площадок строящихся ТЭС с экологической точки зрения: краткий обзор исследований

Кузьмин В. В.

Кузьмин Василий Васильевич /Kuz'min Vasiliy - главный инженер, ООО НПО «Гидротехпроект», г. Валдай

Аннотация: излагаются основные вопросы, касающиеся оптимального выбора пунктов и площадок намечаемого строительства ТЭС с экологической точки зрения. Отмечается, что основным источником исходных данных для оптимизации размещения ТЭС являются материалы инженерных изысканий.

Abstract: the main questions relating to the optimal placing of TPP points and sites from environmental point of view are described. It is noted that the main source of input data for optimization of thermal power plants placing are the materials of the engineering and environmental survey.

Ключевые слова: тепловая электростанция, энергетика, экология, окружающая среда, инженерно-экологические изыскания.

Keywords: thermal power plant, energy, ecology, environment, engineering and environmental survey.

Введение

Тепловые электростанции (ТЭС) являются крупными промышленными объектами, представляющими серьезную экологическую опасность для окружающей среды [1, 2, 8,