УЧАСТОК СОПРЯЖЕНИЯ С КОТЛОВАНОМ ТОННЕЛЯ В ПЕРИОД ЕГО СООРУЖЕНИЯ
INTERCONNECTING AREA WITH THE TUNNEL BOILER DURING ITS CONSTRUCTION

Изобретение относится к области тоннелестроения. Одной из проблем, возникающих при строительстве метрополитенов, является вывод тоннеля в котлован, предназначенный для обустройства станции. При неглубоком заложении котлован для станции сооружается под защитой «стены в грунте». Однако уровень грунтовых вод может быть выше тоннеля, что приведет к прорыву воды вместе с грунтом во время пересечения тоннеля со «стеной в грунте». Для предотвращения этого прорыва производят укрепление грунтов в месте пересечения со «стеной в грунте». Укрепление делают путем инъектирования в грунт различных составов, что делает эти грунты водонепроницаемыми. При этом необходимо сформировать участок сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения.
Известен участок сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения, включающий котлован, зону водонасыщенных грунтов, стенку, ограничивающую пространство котлована от водонасыщенных грунтов, в месте намечаемого выхода тоннеля в котловане и инъекционное оборудование (СТО НОСТРОЙ 2.318-2011. М.2012, Приложение Б). В этом случае оборудование для обеспечения водонепроницаемости грунтов расположено на естественной поверхности грунта.
Недостатком этой схемы является трудность обеспечения сплошности массива. В связи с тем, что вертикальность скважин имеет определенный допуск, скважины по мере увеличения глубины расходятся, образуя участки водопроницаемого грунта. Недостаток становится более значительным по мере увеличения глубины заложения тоннеля. Кроме того, скважины по технологическим соображениям нельзя бурить абсолютно близко к «стене в грунте», в связи с чем неизбежно образуется зазор, через который также имеет место доступ воды.
Известен участок сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения, включающий котлован, зону водонасыщенных грунтов, стенку, ограничивающую пространство котлована от водонепроницаемых грунтов, примыкающую к плоскости стенки в месте намечаемого выхода тоннеля в котлован и инъекционное оборудование, расположенное в котловане (СТО НОСТРОЙ 2.3.2018-2011. М.2012. Приложение В.).
По этой схеме инъекционное оборудование расположено непосредственно в котловане. В этом случае опасность появления зазора между зоной водонепроницаемого грунта и «стеной в грунте» исчезает, но по-прежнему опасность отсутствия сплошности обеспечения водонепроницаемости остается. В результате создастся необходимость выполнения дополнительных работ, увеличивающих сроки и финансовые затраты:
полевые и лабораторные (в том числе геофизические) исследования геометрической формы, сплошности, физико-механических свойств конструкции и материала закрепленного массива;
ликвидация выявляемых дефектов инъекционными методами с применением дорогостоящих химических составов или мелкозернистых бетонов;
применение водопонижения.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности схемы, при которой снижаются объемы непредвиденных затрат при сооружении тоннеля.
Для достижения поставленной цели участок сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения включает котлован, зону водонасыщенных грунтов, стенку, ограничивающую пространство котлована от водонасыщенных грунтов, зону водонепроницаемых грунтов, примыкающую к плоскости стенки в месте намечаемого выхода тоннеля в котлован, инъекционное оборудование, расположенное в котловане. Зона водонепроницаемых грунтов выполнена в виде цилиндра диаметром «D» и длиной «L», ось которого совпадает с осью сооружаемого тоннеля, причем цилиндр в поперечном сечении содержит две подзоны - контурную подзону в виде кольца толщиной «δ» и внутреннюю подзону радиусом «r». Кольцо контурной подзоны выполнено в виде непрерывного ряда примыкающих друг к другу миницилиндров, образованных инъектированием быстротвердеющего (за 3-7 минут) раствора в отдельную скважину, а внутренняя подзона образована сплошным по площади поперечного сечения расположением примыкающих друг к другу миницилиндров, образованных инъектированием твердеющего (за 10-40 минут) раствора в отдельную скважину. Приведенные выше обозначения определяются следующим образом:
D = κ⋅d, м;
1,10 < κ < 1,25,б/р;
0,3 < δ < 0,7,м;
- длина тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК), м;
j - ширина смонтированного кольца, м;
d - диаметр тоннелепроходческого механизированного комплекса м.
в
d - диаметр внутренней подзоны, м.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - представлена схема предлагаемого технического решения участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения (сечение Б-Б на фиг. 2);
на фиг. 2 - то же, сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - то же, сечение В-В на фиг. 1;
на фиг. 4 - представлена схема участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения при укреплении грунтов в зоне сопряжения со стороны естественной поверхности, сечение Г-Г на фиг.5 (аналог изобретения);
на фиг. 5 - то же, сечение Д-Д на фиг 4;
на фиг. 6 - представлено проектное состояние сплошности инъектируемого массива, изображенного на фиг 4 и 5;
на фиг. 7 - то же, фактическое состояние;
на фиг. 8 - представлена схема участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения при укреплении грунтов в зоне сопряжения со стороны котлована, сечения Ж-Ж на фиг.9 (прототип изобретения);
на фиг. 9 - то же сечение Е-Е на фиг.8;
на фиг. 10 - представлено состояние участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения, сечение Ж-Ж на фиг. 9.
Участок сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения содержит котлован 1 с дном 2, расположенным ниже естественной поверхности 3, зону 4 водонасыщенных грунтов с уровнем 5 грунтовых вод, стенку 6, ограничивающую пространство котлована 1 от зоны 4 водонасыщенных грунтов, зону 7 водонепроницаемых грунтов, примыкающую к плоскости стенки 6 в месте намечаемого выхода тоннеля 8 в котлован 1. Зона 7 водонепроницаемых грунтов выполнена в виде цилиндра диаметром D и длиной L. Ось цилиндра совпадает с осью будущего тоннеля 8. Цилиндр в поперечном сечении содержит две подзоны - контурную подзону 9 в виде кольца толщиной «8» и внутреннюю подзону 10 радиусом «r».
Кольцо контурной подзоны выполнено в виде непрерывного ряда примыкающих друг к другу миницилиндров 11, образованных инъектированием быстротвердеющего (за 3-7 минут) раствора в отдельную скважину.
Внутренняя подзона 10 образована сплошным по площади поперечного сечения расположением примыкающих друг к другу миницилиндров, таких же как и миницилиндры контурной подзоны, но образованных инъектированием медленно твердеющего (за 10-40 минут) раствора в отдельную скважину. Инъекционное оборудование 12 расположено в котловане 1. При необходимости устраивается слой водоупора 13 под дном котлована 1.
В качестве одного из вариантов могут быть рекомендованы следующие составы:
1) Внутренняя подзона: Стекло натриевое жидкое ГОСТ 13078-81, ортофосфорная кислота ГОСТ 10678-76, время срабатывания до 15 минут;
2) Внешняя подзона: Beverdol wf - bevedan в соответствии с ГОСТ 33762-2016.
Основные размеры связаны между собой следующими соотношением:
D = κ⋅d, м;
1,10 < κ < 1,25,б/р;
0,3 < δ < 0,7,м;
- длина тоннелепроходческого механизированного комплекса, м;
j - ширина смонтированного кольца, м;
d - диаметр тоннелепроходческого механизированного комплекса, м.
в
d - диаметр внутренней подзоны, м.
Коэффициент "κ " является равным в рамках от 1,10 до 1,25 в зависимости от от условий применения. Эти значения получаются в результате следующих рассуждений.
Толщина "δ" кольца внешней подзоны в среднем равна 0,5 м. Она не должна повреждаться при проходке тоннеля. Кроме того должен быть еще запас порядка 0,1 м оставаться от внутренней подзоны, чтобы гарантировать целостность внешней подзоны. Итого получается в среднем толщина кольца 0,6 м. При диаметре тоннелепроходческого комплекса 8-10 м, мы получаем величину "κ" равную 1,10-1,25.
При необходимости на дне котлована устраивается слой 13 водоупора (например, железобетонной плиты с гидроизоляцией).
Для описания работы участка использованы далее следующие обозначения:
14 - тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК);
15 - поток воды, от которого формируется защита;
16 - режущая часть ТПМК;
17 - транспортная часть ТПМК;
18, 19 - зоны, куда может поступать вода;
20 - кольца обделки тоннеля;
21 - омоноличиваемая раствором зона контакта колец 20 обделки тоннеля с грунтом;
22 - зазор в «стене в грунте» в момент выхода ТПМК в котлован 1.
Работа участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения может быть лучше представлена, если вначале рассмотреть аналог и прототип.
На фиг. 4 и 5 представлен аналог. В этом случае инъекционное оборудование 12 расположено не в котловане, а на естественной поверхности грунта 3 и зона 7 водонепроницаемых грунтов образована вертикальными скважинами.
Недостатки:
наличие технологического зазора «С» между зоной водонепроницаемых грунтов 7 и «стеной в грунте» 6. В среднем ширина зазора составляет 0.3-0.5 м;
расхождение миницилиндров, образованных инъектированием раствора между собой в процессе их изготовления, (т.е. фактическая сплошность (фиг. 7) отличается от проектной (фиг. 6)), что приводит к образованию связанных между' собой полостей и каналов, способствующих поступлению водогрунтовой массы на шнек ТПМК и в котлован в момент выхода щита;
неравномерная прочность грунтобетонного массива, что приводит к заклиниванию рабочего органа ТПМК, «переборам грунта», разуплотнению вмещающего массива, просадкам поверхности;
требование дополнительной площади для обустройства площадки для выполнения буровых работ;
необходимость выполнения дополнительных работ, увеличивающих сроки и финансовые затраты:
1) Полевые и лабораторные (в том числе геофизические) исследования геометрической формы, сплошности, физико-механических свойств конструкции и материала закрепленного массива;
2) Ликвидация выявляемых дефектов инъекционными методами с применением дорогостоящих химических составов или мелкозернистых бетонов;
3) Применение водопонижения.
Для устранения данных недостатков применяют следующую схему, представленную на фиг. 8 и 9 (прототип), при которой осуществляют горизонтальное закрепление массива.
Улучшаются следующие показатели:
уменьшается стоимость (не требуется площадка для проведения работ на борту котлована; уменьшается объемы работ по бурению; уменьшается расход материала);
увеличивается надежность (увеличивается сплошность и однородность образуемого массива, ликвидируется зазор «С» между закрепленным массивом и ограждающей конструкцией котлована);
увеличивается экономичность (уменьшаются сроки проведения работ).
Недостатки:
расхождение миницилиндров, образованных инъектированием раствора между собой в процессе их изготовления, (т.е. фактическая сплошность (фиг. 7) отличается от проектной (фиг. 6)), что приводит к образованию связанных между собой полостей и каналов, способствующих поступлению водогрунтовой массы на шнек ТПМК и в котлован в момент выхода щита (но в меньшей степени чем в варианте устройства вертикального закрепления);
необходимость выполнения дополнительных работ, увеличивающих сроки и финансовые затраты:
полевые и лабораторные (в том числе геофизические) исследования геометрической формы, сплошности, физико-механических свойств конструкции и материала закрепленного массива;
ликвидация выявляемых дефектов инъекционными методами с применением дорогостоящих химических составов или мелкозернистых бетонов;
применение водопонижения.
Специальная схема участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения необходима для того, чтобы проходка тоннелепроходческим механизированным комплексом 14, стены 6 не сопровождалась прорывом в котлован 1 (фиг. 10) воды 15 через образующиеся при проходке стены 6 неплотности. На фиг. 10 показано состояние участка сопряжения с котлованом тоннеля в период его сооружения в тот момент, когда тоннелепроходческий механизированный комплекс 14 коснулся стены 6, т.е. в тот критический момент, когда определяются размеры участка. В этот момент вода не должна поступать в зону тоннелепроходческого механизированного комплекса 14 который содержит режущую часть 16 и транспортную часть 17.
Это необходимо для:
обеспечения возможности доступа рабочих в указанную зону для замены режущего оборудования, предназначенного для разработки грунта, на оборудование для проходки бетонной стены;
предотвращения поступления водонасыщенной грунтовой массы в котлован по зазору 22 между внешней оболочкой тоннелепроходческого механизированного комплекса и контуром отверстия в "стене в грунте", образованного режущей частью ТПМК, при выходе режущей части из "стены в грунте". Поступление водонасыщенной грунтовой массы в котлован будет сопровождаться провалом земной поверхности.
T
Со стороны внешнего контура доступ воды предотвращен контурной подзоной 9. Вода по направлению 15 может поступать в зоны 18 и 19. Для предотвращения поступления воды в зону 18 последняя, как часть внутренней подзоны 10, инъектирована раствором, и сделана водонипроницаемой. Зона 19 защищена кольцами обделки 20 и зоной 21 между обделкой диаметром d и зоной выработки диаметром d, при этом длина L зоны 7 водонепроницаемого грунта превышает длину  тоннелепроходческого механизированного комплекса 14 на ширину полутора колец обделки 20 (из опытных данных).
Предлагаемое изобретение решает следующее техническое противоречие. В прототипе (фиг. 8) зона 7 водонепроницаемого грунта создается сплошным по площади поперечного сечения зоны 7 расположением примыкающих друг к другу миницилиндров, образованных инъектированием твердеющего раствора в отдельную скважину. В этом случае сплошность не обеспечивается (фиг. 7). Если при этом учесть, что при достижении тоннелепроходческим механизированным комплексом 14 стены 6 остается по боком этого комплекса лишь небольшое кольцо от зоны 7 и при этом недостаточно сплошное, то становятся ясными, что поступление с боков воды трудно избежать. Можно увеличивать диаметр зоны 7, но это увеличивает резко стоимость и не гарантирует от поступления воды. Решение противоречия достигнуто разделением цилиндра зоны 7 на две подзоны: контурную 9 и внутреннюю 10. Контурная подзона образована сплошным кольцом примыкающих друг к другу миницилиндров. Но в контурной подзоне используется быстро твердеющий раствор за 3-7 мин. При таком времени твердения он не успевает схватиться в инъекционном оборудовании, но тем не менее при этом не уносится водой при наличии фильтрации. Внутренняя подзона инъектируется твердением более медленно (под защитой контурной подзоны), но зато захватывается миницилиндрами большего диаметра.
Область применения предлагаемой схемы - грунты с повышенным коэффициентом фильтрации, а также при наличии в грунте процесса фильтрации.
Эффективность предлагаемого технического решения выражается в повышении надежности системы и снижении расходов при проходе тоннеля.