Совершенствование конструкций, геомеханическое обоснование и разработка технологии строительства колонной станции закрытого типа метрополитена глубокого заложения

ГЕОМЕХАНИКА

УДК 624.1

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ, ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА КОЛОННОЙ СТАНЦИИ ЗАКРЫТОГО ТИПА МЕТРОПОЛИТЕНА ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

П.А. Деменков, А. А. Шубин

Исследуются разработка и геомеханическое обоснование новых конструктивных решений колонных станций глубокого заложения без боковых платформ метрополитена глубокого заложения. Разработана новая конструкция фигурного металлического тюбинга, вписывающегося в габарит тоннеля, которая позволит осуществлять сквозную проходку тоннелей высокопроизводительными щитовыми комплексами. Предложена замена чугунных стен-колонн на железобетонные сборные или монолитные. Проведено численное моделирование предложенных конструктивных решений в пространственной постановке с учетом основных технологических этапов строительства.

Ключевые слова: метрополитен, станции метро, колонные станции, обделка, конструкции, технология строительства, напряженно-деформированное состояние, напряжения, подземные сооружения.

В России широкое распространение получили четыре вида станций метрополитена глубокого заложения: пилонные, колонные закрытого типа (без боковых платформ), колонные открытого типа и односводчатые [1, 2]. Они различаются и конструктивно, и технологически. Каждому типу станций присущи свои достоинства и недостатки. Так, достоинствами пилон-ных станций можно считать простоту организации строительных работ и возможность консервации станции на длительный период при отсутствии финансирования, а недостатками - низкую степень механизации, большую материалоемкость и значительные оседания поверхности ввиду большой

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

ширины станции. Односводчатые станции обладают высокой степенью механизации, но, вместе с тем, имеют участки боковых тоннелей, перебираемых вручную, и требуют высокой квалификации строителей для безопасного ведения работ при раскрытии колонны. Колонные станции открытого типа по недостаткам и достоинствам занимают промежуточное положение между пилонными и односводчатыми станциями, обладают средним уровнем механизации. Так, боковые тоннели обычно строятся методом пилот-тоннеля с раскрытием их до проектного диаметра с большой долей ручного труда.

Подробнее рассмотрим колонные станции закрытого типа, так как они считаются наиболее дешевыми и имеют минимальные сроки строительства [2]. Они также требуют извлечения меньшего объема грунта (таблица), имеют меньшую материалоемкость и обладают при строительстве достаточно высокой степенью механизации.

Основные объемы работ при сооружении несущих конструкций станций метрополитена

Наименование объемов работ Ед. изм. Пилонная Одно-сводчатая Колонная открытого типа Без боковых платформ

«Пл. Восстания» «Пл. Мужества» «Выборгская» «Московская»

Грунт 3 м 34450 32335 25170 19130

Сборный железобетон 3 м 4441 2737 1988

Монолитный железобетон 3 м 468 243

Монолитный бетон 3 м 1764 3959 153

Металл, всего т 8998 1516 1937 1808

в том числе:

- чугун т 8998 246 1200

- прокат т 169 997 400

- арматура т 1347 694 208

Стоимость тыс. дол. 5690 2760 2828 1395

Приведенная стоимость 1 м3 выработанного и закрепленного постоянной обделкой объема дол м3 165,17 85,36 112,36 72,92

_Геомеханика_

Однако этому типу станций присущ и ряд существенных недостатков.

1. Использование тюбинговых колец нестандартной ширины - 76,8 см - вместо обычных 100 см, что удорожает стоимость обделки за счет применения нетиповых её элементов и большого расхода дорогостоящего чугуна.

2. Жесткое (бесшарнирное) соединение стенок-колонн с опорными фигурными чугунными тюбингами при неизбежных деформациях конструкции в процессе строительства станции вызывает появление внецен-тренных нагрузок на колонны и поэтому требует повышенного запаса прочности и расхода материала.

3. Наличие на внешней стороне фигурного тюбинга опорного выступа, выходящего за наружный контур кольцевой обделки, препятствует применению при сооружении боковых тоннелей такой станции прогрессивных щитовых комплексов с блочной обделкой, разжимаемой в породу, и эффективной поточно-сквозной организации строительства линий метрополитена.

4. Меньшая пропускная способность станции из-за необходимости точного совмещения дверей вагонов с дверями станции.

5. Проблемы с эвакуацией пассажиров в случае аварии на станции.

Колонная станция без боковых платформ представляет собой трех-

сводчатую конструкцию, которая состоит из боковых станционных тоннелей, такого же наружного диаметра, как перегонные (например, 5,5 м) и средний тоннель с большими радиусами сводов. В состав усиленных железобетонных тюбинговых колец с высотой борта 0,25 м включены со стороны среднего станционного тоннеля чугунные фигурные тюбинги, между которыми расположены сборные чугунные стены-колонны и проемы для посадки-высадки пассажиров в вагоны поезда. Ширина проема принята 1,85 м, расстояние между ними в осях 4,61 м, что соответствует расстоянию между осями дверей в вагонах поезда. Ширина сборных чугунных стен-колонн составляет 2,76 м. Проемы высотой в свету 3,1 м обрамлены сверху и снизу сборными чугунными перемычками.

Анализ конструкций станции показал, что имеется возможность устранить перечисленные ранее недостатки. Для этого была предложена новая конструкция колец боковых тоннелей станции с изменённым фигурным металлическим тюбингом, не выходящим за габариты перегонного тоннеля (рис. 1) и обеспечивающим возможность применения высокопроизводительного щитового механизированного перегонного комплекса с дуговым крепеукладчиком блоков и разжатием кольца на породу гидродомкратом между лотковыми блоками с фиксацией [3].

133

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

Применение верхнего и нижнего прогонов обеспечивает независимость шага проемов и их ширины от ширины колец обделки и расстояния между дверями вагонов, а использование монолитного железобетона при возведении прогонов и стен-колонн резко снижает стоимость и трудоемкость работ по сравнению с чугунными стенами-колоннами и чугунными перемычками в проемах, предусмотренными в типовой станции.

Рис. 1. Общий вид предложенного варианта колонной станции

закрытого типа

В боковых станционных тоннелях применяется типовая сборная железобетонная обделка перегонного типа, с шириной кольца 1 м, в которую включены металлические верхний и нижний опорные фигурные тюбинги, толщина которых равна толщине кольца железобетонной обделки. При этом конструкция фигурных тюбингов обеспечивает сборку колец обделки при проходке тоннеля щитовым комплексом, последующую установку прогонно-колонного комплекса между фигурными тюбингами с шарнирным их соединением. При последующем сооружении среднего станционного тоннеля по уступной схеме пяты верхнего и обратного сводов опирают посредством приставки на фигурные металлические тюбинги боковых тоннелей с передачей нагрузки на прогонно-колонный комплекс в виде железобетонных или стальных пустотелых конструкций, внутренние полости которых затем заполняют высокопрочным твердеющим раствором («коробчатый сталебетон»).

_Геомеханика_

Прогоны и стены-колонны могут быть выполнены из монолитного или сборного железобетонного, а в особых случаях из стали или коробчатого сталебетона. Между стенами-колоннами располагают проемы шириной 1,8...1,9 м для посадки-высадки пассажиров в вагоны поезда. Расстояние между осями проемов равно расстоянию между осями дверей вагонов (4,61 м). Проемы оснащают раздвижными дверями, которые открываются синхронно с дверями вагонов поезда.

После возведения в боковых тоннелях прогонов и стен-колонн и приобретения ими расчетной прочности сооружают средний тоннель станции по схеме с нижним уступом. Вначале разрабатывают породу в верхней его половине с возведением из железобетонных блоков верхнего свода и разжатием его в замке домкратом. При этом пяты свода через стальную приставку опирают на фигурный тюбинг и далее на прогон и стены-колонны.

При разработке породы в нижней половине среднего тоннеля разбирают блоки временного заполнения, а затем сооружают из железобетонных блоков обратный свод с разжатием его гидродомкратом в лотковых блоках и фиксацией клиньями.

Для геомеханического обоснования предложенных конструктивных и технологических решений колонных станций метрополитена глубокого заложения было выполнено численное моделирование методом конечных элементов (Abaqus) в пространственной постановке с учетом основных этапов их строительства [4].

Боковые тоннели закреплены железобетонной обделкой 5,5/5,0 м (вчерне/в свету). Средний станционный тоннель имеет двухциркульное очертание, радиус нижнего свода 7,15 м, верхнего - 5,7 м, толщина обделки для обоих сводов составляет 350 мм. Стены-колонны из железобетона имеют толщину 200 мм. Для исключения передачи изгибающего момента с обделки на колонно-прогонный комплекс в конечно-элементной модели в местах опирания обделки были предусмотрены узлы, обеспечивающие шарнирность. Напряженное состояние массива вызывалось собственным весом вышележащих пород. Глубина заложения станции достигала 50 м.

Размеры расчетной модели выбирались из условия минимального влияния граничных условий на распределение напряженно-деформированного состояния вокруг станции и составили 100*100*9,22 м (глубина* ширина* длина). По длине рассматривались два пролета проемов в продольной стенке колонно-прогонного комплекса. Последовательность строительства станции моделировалась следующим образом. На первом этапе производилась выемка грунта из сечения левого бокового станционного тоннеля и возводилась обделка, на втором - установка колонно-прогонного комплекса в левом тоннеле. На третьем и четвертом этапах выполнялись аналогичные работы в правом станционном тоннеле. На пя-

Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1

том этапе вынимался грунт из верхней части среднего станционного тоннеля и устраивалась обделка верхнего свода. На шестом осуществлялась разработка грунта и возведение обделки в нижней части среднего тоннеля, на седьмом и восьмом этапах - демонтаж тюбингов временного заполнения соответственно левого и правого боковых тоннелей.

Концентрация растягивающих напряжений наблюдается в лотковой части боковых тоннелей, в других элементах обделки тоннелей они практически равны нулю. Максимальная величина сжимающих напряжений наблюдается вдоль вертикальных стенок проема с наибольшими значениями в нижних углах проема (рис. 2). Растягивающие вертикальные напряжения преобладают в верхней и нижней перемычках проема. Максимальные величины сжимающих напряжений не превышают прочностные характеристики бетона. Таким образом, можно сделать вывод, что замена чугунных разделительных стен железобетонными возможна.

Рис. 2. Распределение сжимающих напряжений по внутренней

поверхности обделки, кПа

Горнопроходческие работы на предложенной станции метрополитена без боковых платформ выполняются за 5 месяцев, в то время как на колонной станции открытого типа в среднем составляют 11 - 12 месяцев.

Расчёт потребности материалов на 1 м станции показывает, что затраты на строительство 1 м колонной станции открытого типа составляют 547240,4 руб./м; затраты на строительство станции без боковых платформ

136

_Геомеханика_

- 489379,5 руб./м. Разница затрат на материалы составляет 57860,9 руб./м, т.е. около 10 %. Здесь проведено сравнение только по материалам без учета экономии за счет сокращения времени строительства.

Подводя итог, можно выделить ряд достоинств колонной станции без боковых платформ в новом конструктивном исполнении по сравнению с типовым решением:

- ускорение строительства боковых тоннелей за счет применения высокопроизводительного щитового механизированного перегонного комплекса с дуговым крепеукладчиком;

- снижение оседания поверхности за счет применения разжатия колец на породу гидродомкратом и применения щитового комплекса при строительстве боковых тоннелей;

- возможность применения эффективной поточно-сквозной организации строительства линий метрополитена (это достигается за счет применения фигурного тюбинга без опорного выступа на внешней стороне, выходящего за наружный контур кольцевой обделки);

- снижение стоимости обделки боковых тоннелей за счет применения типовых железобетонных блоков (шириной 1 м) с разжатием кольца на породу гидродомкратом или типовых тюбингов вместо нестандартных тюбингов шириной 0,768 м (это достигается за счет применения верхнего и нижнего прогонов, выполненных из железобетона);

- снижение металлоемкости в результате замены чугунных элементов на железобетонные при возведении прогонов и стен-колонн;

- сокращение расхода материалов (это достигается за счет шарнирного соединения стенок - колонн с опорными фигурными тюбингами);

- максимальная степень механизации и наибольшая скорость строительства по сравнению с другими типами станций метрополитена глубокого заложения.

Возвращаясь к недостатку типовой колонной станции - меньшей пропускной её способности, обусловленной наличием раздвижных дверей, можно предложить его устранение применением более совершенной автоматики остановки поезда и увеличением размеров дверных проемов для упрощения совмещения с ними дверей вагона поезда.

Для решения проблемы эвакуации пассажиров можно предложить использовать поезда с проходами между вагонами. Они уже используются во многих странах, а в прошлом году запущены первые составы в Москве. Стоит также отметить, что за более чем полувековую историю эксплуатации таких станций опасных ситуаций, требующих эвакуации пассажиров, не возникало. Более того, закрытые двери исключают возможность падения людей на рельсовый путь.

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

Применение предложенных конструктивных и технологических решений колонной станции без боковых платформ позволит ей стать самой дешевой и быстровозводимой для метрополитена глубокого заложения. Кроме того, наименьший среди всех типов станций глубокого заложения объем извлекаемого грунта и разжатие блочной обделки позволят получить минимальные оседания поверхности, что является также очень актуальным для плотной городской застройки.

Список литературы

1. Фролов Ю. С., Голицинский Д. М., Ледяев А. П., Метрополитены: учебник для вузов / под ред. Ю. С. Фролова. М.: Желдориздат, 2001. 528 с.

2. Тоннели и метрополитены / под ред. В.Г. Храпова. М.: Транспорт, 1989. 383 с.

3. Пат. №2410495 Рос. Федерация. МПК E02D29/00. Колонная трех-сводачатая станция метрополитена без боковых платформ / О.В. Тимофеев, П. А. Деменков. Опубл. 27.01.2011.

4. Деменков П. А., Петров Д.Н., Очнев В.Н. Сравнительный анализ колонной станции без боковых платформ с чугунными и железобетонными разделительными стенами // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. Вып. 2. С. 218 - 224.

Пётр Алексеевич Деменков, канд. техн. наук, доц., dem-petr@ya.ru, Россия, Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

Андрей Анатольевич Шубин, канд. техн. наук, доц., andy57@rambler.ru, Россия, Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

IMPROVEMENT OF DESIGN, GEOMECHANICAL SUBSTANTIATION AND DEVELOPMENT OF CONSTRUCTION TECHNOLOGIES FOR THE CLOSED COLUMN STATION TYPE OF THE DEEP-LAID SUBWAY

P.A. Demenkov, A.A. Shubin

The paper is dedicated to the development and geomechanical substantiation of new design solutions of deep-laid subway of columned stations without side platforms. The authors have developed a new design of figure metal tubing that fits into the tunnel clearance. This solution allows the through tunnel boring with high performance shield complexes. In addition, the replacement of cast-iron wall-columns with reinforced concrete prefabricated or monolithic ones is proposed. We conducted a computational simulation of suggested design solutions in the spatial statement taking into account main technological stages of the construction process.

Key words: Subway, subway stations, column stations, lining, construction, design, construction technology, stress-strain state, stresses, underground structures.

138

Геомеханика

Demenkov Petr Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, dem-petr@ya.ru, Russia, Saint Petersburg, National Mineral Resources University (Mining University),

Shubin Andrey Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, an-dy57@rambler.ru, Russia, Saint Petersburg, National Mineral Resources University

УДК 624.131.7

ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА

В ТВЕРДЫХ ГЛИНАХ

М.А. Карасев, Н.А. Беляков

Рассмотрены вопросы прогноза деформаций земной поверхности при строительстве подземных сооружений сложной пространственной конфигурации в условиях плотной городской застройки. Основное внимание уделено развитию метода прогноза деформаций земной поверхности от строительства станций метрополитена на основании численного моделирования. Предложена геомеханическая модель прогноза деформаций при строительстве подземных сооружений в аргиллитоподобных глинах, описываемых как нелинейная трансверсально-изотропная среда. Обоснование достоверности методики прогноза деформаций земной поверхности выполнено на основании сравнения результатов мониторинга и численного моделирования для станции метрополитена г. Санкт-Петербурга «Обводный канал».

Ключевые слова: деформации, напряжения, оседания земной поверхности, геомеханическая модель, станция метрополитена, аргиллитоподобная твердая глина.

Развитие крупных городов непосредственно связано с комплексным освоением подземного пространства. Это объекты метрополитена, транспортные и сервисные тоннели, подземные склады и хранилища, объекты инфраструктуры, магазины и т.д. Строительство любых подземных сооружений приводит к изменению напряженного состояния вмещающего массива, сопровождающегося его деформациями, которые распространяются до земной поверхности, и это может оказывать негативное воздействие на здания и объекты инфраструктуры, расположенные на ней. Сами же подземные сооружения по технико-экономическим соображениям обычно стремятся располагать на незначительной глубине от земной поверхности, что только увеличивает степень их влияния на объекты городской инфраструктуры. Вместе с тем, известно, что не всегда строительство подземных