Развитие напряженно-деформированного состояния тоннельных обделок Санкт-Петербургского метрополитена в процессе эксплуатации

УДК 622.831

М.О.ЛЕБЕДЕВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт

РАЗВИТИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Приведены результаты длительных исследований формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) обделок Санкт-Петербургского метрополитена. Полученные данные свидетельствуют о продолжении роста нагрузок на обделки в процессе эксплуатации. Источником роста нагрузок являются вибрации, которые от источника их возникновения - подвижного состава, передаются на внешний контур обделки и способствуют виброуплотнению грунтового массива.

The results of prolonged research of lining deflected mode generation for Saint-Petersburg subway are given. The obtained data indicates a further rising of load on lining during exploitation. The load rising source are vibrations, and the source of its occurrence is a tube stock. Vibrations are transmitted to the outer contour of lining and promote vibrocompaction of rock mass.

В Санкт-Петербургском метрополитене с 2000 г. ОАО НИПИИ «Ленметрогипрот-ранс» ведутся длительные исследования НДС обделок. Данные работы проводятся в перегонах и станционных узлах на опытных участках, оснащенных в процессе строительства измерительными приборами Ленинградской лабораторией ЦНИИС.

Натурные исследования указанной лабораторией, заканчивались, как правило, после сдачи объектов в эксплуатацию. Исключение составили некоторые из исследуемых станций, на которых исследования проводились до 7 лет.

Результаты, полученные в ходе этих исследований, свидетельствовали, что нагрузки на обделки, сформировавшись в течение 2-12 месяцев, стабилизируются и в дальнейшем практически не изменяются.

На момент возобновления наблюдений «возраст» указанных участков составил 10-12 лет. Для всех опытных участков была разработана одна методика, по которой НДС обделки определяют по относительным деформациям бетона, в результате пересчета периода колебаний струны датчиков ПЛДС-400, устанавливаемых в обделку при ее изготовлении.

Полученные на начальном этапе исследований значительные увеличения скорости роста НДС, опровергли предположение о стабилизации НДС после окончания строительства. А наблюдения в течение последующих трех лет позволяют сделать интересные выводы о характере активизации роста НДС.

Рассмотрим результаты проведенных исследований в перегонных тоннелях.

Наблюдения, произведенные на исследуемых участках через 10-12 лет после их установки и через 4-10 лет после последнего измерения на них, показали в ряде случаев значительный рост скорости деформаций. На рис.1. показано условное развитие деформаций во времени, из которого видно, что скорость их роста была равной: как не превышающей скорости по предыдущим измерениям, так и превышающей их в несколько раз.

Какова причина возникновения деформаций?

Анализ временного фактора показал, что все предыдущие показания с датчиков выполнены до ввода перегонных тоннелей в эксплуатацию. Таким образом, на развитие деформаций, главным образом, повлиял

Рис.1. Общий вид развития относительных деформаций в бетоне обделки

Рис.2. Расположение трех опытных участков в одной плоскости, оказывающих влияние друг на друга

пуск по перегонным тоннелям электропоездов, а именно - вибраций, которые передаются от их движения на обделку и грунтовый массив.

Как известно, вибрации в значительной степени влияют на развитие деформаций ползучести (виброползучести). Кроме этого, необходимо выяснить, в какой мере это относится к бетону и грунтовому массиву.

Проанализируем развитие НДС обделок по восьми опытным участкам. Два опытных участка (№ 1 и № 2) закреплены обделкой 5-БНЛ-2, но № 1 расположен в действующем тоннеле, а № 2 - в нерабочем перегоне. Еще пять опытных участков закреплены обделкой 5,5НБС-У, три из которых расположены в действующих тоннелях, а два - в недействующих, но в зоне их влияния. Опытный участок № 8 закреплен обделкой НБ-9 и располагается в зоне влияния действующей линии метрополитена.

Скорость деформаций на участке № 2 по первому измерению длительных исследований не превышает скорости предыдущего замера и составляет 0,09-10- отн.ед. в месяц (деформация не затухает). Средняя скорость деформации на участке № 1 по первому измерению длительных исследований составляет (для блоков, расположенных аналогично участку № 2) 0,19-10-5 отн.ед. в месяц, что незначительно больше скорости деформаций по предыдущему замеру (0,17-10-5 отн.ед. в месяц).

Рассмотрим развитие деформаций на опытных участках, закрепленных тюбинго-

вой обделкой. Таких участков шесть, и каждый в разной степени испытывает влияние других тоннелей.

Из указанных шести участков, три оказывают влияние друг на друга и расположены в одной плоскости (рис.2). Анализ развития деформаций по каждому из участков показал, что между последним и предпоследним измерениями (4 года) возможно значительное увеличение скорости деформаций.

По тоннелю 1-П-Ш (опытный участок № 3) скорость деформаций по первому измерению длительных исследований в среднем по кольцам составила 0,33-10- отн.ед. в месяц, по показаниям предыдущих измерений - 0,09-10- отн.ед. в месяц, что в 3,7 раза меньше. Следует также отметить, что при сравнительно одинаковой скорости деформирования (относительно предыдущего измерения) скорость роста деформаций в спинке тюбингов несколько больше, чем в ребрах.

По тоннелю 1-К-1 (опытный участок № 4) скорость деформирования по первому измерению длительных исследований, в среднем по двум кольцам, составила 0,57-10-5 отн.ед. в месяц; по показаниям предыдущих измерений - 0,12-10-5 отн.ед. в месяц, что в 4,75 раза меньше.

По переходному коридору (опытный участок № 8) средняя скорость роста относительных деформаций по первому измерению длительных исследований составила в месяц. Отмечена более - 55

0,18-10 отн.ед.

Санкт-Петербург. 2004

Рис.3. Расположение опытного участка в зоне влияния наклонного хода

равномерная, чем по другим участкам, скорость деформации по кольцам. По показателям предыдущих измерений эта величина составила 0,08-10- отн.ед. в месяц, что в 2,25 раза меньше отмеченных по последнему измерению.

Анализируя процесс развития относительных деформаций по всем трем участкам, прежде всего, следует сказать, что между двумя последними измерениями после окончания строительства и первым измерением длительных исследований произошел пуск участка линии, но при этом движение поездов осуществляется только по тоннелям 1-П-Ш и П-П-Ш.

Так как источник вибраций получается только от движения поездов в тоннеле 1-П-Ш и П-П-Ш, то можно сделать следующие предположения:

• вибрации, передаваемые на обделку тоннелей 1-П-Ш и П-П-Ш, также передаются через обделку на массив;

• массив при действии динамических нагрузок - вибрации, уплотняется за счет виброползучести;

• виброползучесть материала обделки параллельных тоннелей затруднительна из-за существенной разницы свойств материалов обделки и грунта.

Таким образом, относительные деформации, полученные в тоннелях 1-К-1 и переходном коридоре, не связаны с допол-

нительными деформациями ползучести бетона, а целиком связаны с ползучестью массива.

Меньшее увеличение скорости роста деформаций, относительно предыдущих измерений в переходном коридоре (в 2,25 раза) и труднообъяснимое в тоннеле 1-К-1 (в 4,75 раза) по отношению к тоннелю 1-П-Ш (в 3,7 раза), не позволяет сделать однозначных выводов о количественной оценке влияющих факторов на развитие относительных деформаций.

Рассмотрим развитие деформаций в обделке опытного участка № 5 тоннеля 1-К-1 в зоне влияния эскалаторного тоннеля (рис.3). Средняя скорость деформаций по первому измерению длительных исследований составляет 0,21-10- отн.ед. в месяц, при этом отмечается незначительный разброс этой величины, что говорит о равномерном контакте колец обделки с массивом. По предыдущему замеру (за 4 года 3 месяца) средняя скорость деформаций составила 0,05-10-5 отн.ед. в месяц, что в 4,2 раза меньше. Отсутствие движения поездов по тоннелю 1-К-1 позволяет сказать, что на развитие относительных деформаций влияют микровибрации, передаваемые на массив при движении эскалаторов по наклонному ходу и поездов по тоннелям 1-К-1 и П-П-Ш. Кроме этого, происходит эффект уплотнения кембрийских глин над тоннелями, которые получили разуплотнение при значительном объеме проходки.

Сравнивая опытный участок № 5 с результатами опытных участков № 3, 4, 9, можно сказать, что увеличение скорости деформаций в 4,2 раза сравнимо со скоростями предыдущих участков, лежащих в одной плоскости. Большую относительную деформацию на участке в зоне влияния наклонного хода по отношению к участку в тоннеле 1-П-Ш (со стороны Невы) можно также объяснить значительным нарушением массива при проходке эскалаторного тоннеля. В последующем, под влиянием микровибраций, этот массив уплотняется, однако нарушение связи (уменьшение угла внутреннего трения и сцепления) с массивом, который не был подвергнут разуплотнению,

Результаты длительных исследований за развитием НДС обделки тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена

Номер опытного участка Тип обделки Наличие динамической нагрузки в тоннеле Расположение участка в зоне влияния другого тоннеля с динамической нагрузкой Время между последним измерением после проходки и первым измерением длительных исследований, лет Приращение относительных деформаций, 10-5 отн.ед./мес.

Перед длительными исследованиями Первое измерение длительных исследований Через три года

1 5БНЛ-2 Да - 9,5 0,17 0,19 0,06

2 5БНЛ-2 Нет Нет 9,4 0,09 0,09 0,0

3 5,5НБС-У Да - 4,3 0,09 0,33 0,09

4 5,5НБС-У Нет Да 4,3 0,12 0,57 0,09

5 5,5НБС-У Нет Да 4,3 0,05 0,21 0,015

6 5,5НБС-У Да - 4,3 0,17 0,29 0,07

7 5,5НБС-У Да - 4,3 0,055 0,27 0,04

8 7,9НБ Нет Да 4,3 0,08 0,18 0,03

заставляет уплотняющийся массив создавать пригрузку к опоре - нижерасположенному тоннелю.

Рассмотрим оставшиеся два участка, расположенные на значительном расстоянии от станции в перегонном тоннеле 1-П-Ш: «Спортивная» - «Чкаловская».

Опытный участок № 6 тоннеля 1-П-Ш расположен в зоне влияния тоннелей П-П-Ш и 1-К-1. Проходка тоннеля П-П-Ш (ниже уровнем) была осуществлена до проходки 1-П-Ш, влияния на который в момент его проходки не оказала. Проходка тоннеля 1-К-1 (выше уровнем) осуществлялась через значительный промежуток времени, когда развитие деформаций в обделке 1-П-Ш уже закончилось и оказало сильное влияние на развитие НДС.

По первому измерению длительных исследований средняя скорость роста относительных деформаций по участку составила 0,29-10-5 отн.ед. в месяц. Относительно предыдущего измерения, скорость роста деформаций выросла незначительно: 0,17-10-5 отн.ед. в месяц.

И, наконец, опытный участок № 7 тоннеля 1-П-Ш, расположенный в зоне взаимного влияния тоннелей П-П-Ш и П-К-1, испытывал подработку обоими тоннелями. Тоннель П-П-Ш проходился под исследуемым участком (15 м по осям) спустя 1,5 месяца после его проходки. Тоннель П-К-1 проходился под исследуемым участ-

ком (7 м по осям) спустя 3,5 месяца после проходки тоннеля 1-П-Ш в районе исследуемого участка.

Средняя скорость относительных деформаций по опытному участку по первому измерению длительных исследований составляет 0,27-10-5 отн.ед. в месяц. Отмечается минимальное отклонение от средней величины. Средняя скорость деформаций по предыдущему измерению составила 0,055-10-5 отн.ед. в месяц, что в 4,9 раза меньше. Можно отметить, что средняя скорость развития деформаций по данному участку совпадает с участком № 6, хотя с качественной стороны тоннели заложены несколько в разных уровнях от влияющих тоннелей.

Дальнейшие наблюдения еще в течение трех лет подтвердили первые предположения о том, что происходит рост нагрузок на тоннели за счет виброуплотнения и виброползучести грунтов, а также лабораторные исследования слабых грунтов (испытания на ползучесть при вибрационной нагрузке) [1], одним из результатов которых было качественное подобие характера формирования кривых ползучести, как и при статических нагрузках.

В таблице показаны результаты длительных исследований за развитием НДС обделок ряда тоннелей с большой глубиной заложения.

Продолжительность наблюдений, сут О деформация

Рис.4. Кривые относительных деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетоне

Наряду с рассмотренным развитием относительных деформаций в тоннельных обделках, следует отметить также и рост напряжений, характер изменения которых при длительных исследованиях был принят по закону Гука, без учета ползучести бетона (в связи с большим возрастом последнего). В результате расчетов получено, что на большинстве опытных участках нормальные тангенциальные напряжения в бетоне составляют около 50 % предела прочности материала. На рис.4 приведены характерные кривые относительных деформаций и нормальных тангенциальных напряжений в бетоне на опытном участке № 5.

Объемный анализ по опытным участкам позволяет сделать некоторые выводы о причинно-следственных факторах развития напряженно-деформированного состояния обделок подземных сооружений в условиях Санкт-Петербургского метрополитена.

После проходки тоннелей вокруг его обделки сохраняется зона разуплотненных грунтов, которую постоянная статическая нагрузка от горного давления уплотнить полностью не может.

Вибрации, возникающие при движении поездов, распространяются от источника колебания до наружной грани обделки и далее переходят в грунтовый массив в виде продольных и поперечных волн, вследствие чего возникает виброуплотнение протерозойских глин, которые получили разуплот-

нение при проходке тоннелей. Величина разуплотнения массива зависит от технологии проходки, технологии возведения обделки и «объемно-планировочных решений» комплекса выработок с порядком их проходки.

Уплотнение первоначально распространяется на небольшую глубину. Амплитудно-частотные характеристики волн с удалением от источника затухают, производя уплотнение грунтов до значений, равных пределу упругости. Достигнув определенного уровня уплотнения, волны на данном участке распространяются с меньшим коэффициентом затухания и дальнейшие импульсы начинают затухать на большем расстоянии от контура выработки, отодвигая тем самым границы зоны уплотнения.

Этим можно объяснить несколько бЦльшую скорость роста относительных деформаций в тюбинговой обделке на участках, по которым происходит движение электропоездов, по отношению к вблизи расположенным тоннелям, по которым движение электропоездов отсутствует.

Согласно работе [2], процесс виброуплотнения всегда носит затухающий характер и полностью прекращается, когда грунтовый массив в достаточной мере уплотнится.

В заключение следует сказать, что исследования в данном направлении не закончены и вследствие недостаточной изученности процессов (количественные характеристики), вызывающих виброуплотнение и виброползучесть материала крепи и массива, дальнейшие исследования должны включать в себя определение амплитудно-частотных характеристик распространения импульсов. Так, в работе [3] колебания, передающиеся через обделку на массив, представлены из трех циклов, способствующих возникновению в грунте динамических напряжений от 0,35 до 8,25 т/м2, достигая максимальных напряжений в водонасыщенных грунтах - 20 т/м2.

Необходимы также лабораторные испытания грунтов при динамических нагруз-

ках для определения физико-механических характеристик в момент прохождения импульса. Такие исследования позволят подтвердить гипотезу, согласно которой нагрузки на тоннели глубокого заложения могут превысить уН из-за изменения угла внутреннего трения и сцепления вплоть до нулевых значений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карташов Ю.М. Ускоренные методы определения реологических свойств горных пород. М.: Недра, 1973. 112 с.

2. Савинов О.А. Динамические проблемы строительной техники / ВНИИГ. СПб, 1993. 179 с.

3. Черный Г.И. Геотехнические расчеты деформации земной поверхности, виброползучести грунта и изменений прочностных показателей массива при подземном строительстве // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 1997. № 1. С.22-34.