Full Text

Введение Строительство метрополитена с каждым годом усложняется по причине строительства перегонных тоннелей и станционных комплексов в районах с более высокой освоенностью. Важно отметить, что строительно-монтажные работы должны сопровождаться соблюдением требований безопасности объектов окружающей застройки [1]. Для создания благоприятных условий строительства тоннелей необходимо выявлять и предупреждать аварийные ситуации, а также обладать современными техническими средствами для исчерпывающего геотехнического мониторинга [2] и быстрой ликвидации нештатных и опасных обстоятельств. Одним из известных случаев экстремальной осадки поверхности земли и железнодорожного полотна вследствие перебора грунта является происшествие при строительстве соединительной ветки на Северо-Восточном участке ТПК в 2017 г. [3]. В.С. Елгаев и Е.Н. Курбацкий в своей работе [4] воздействие щита при проходке на окружающую застройку и массив грунта относят к вибрациям умеренной продолжительности, которые могут способствовать резонансному состоянию несущих конструкций и вызывать разжижение грунтов, в результате чего могут пострадать объекты окружающей застройки и инженерные коммуникации. Подобный опыт и уже полученные знания должны учитываться при разработке новых нормативных документов, усовершенствовании расчетных моделей и технологий освоения подземного пространства. Примером относительно недавней технологии является строительство однопутных тоннелей, которое приводит к сокращению сроков проходки и стоимости работ без ущерба окружающей застройке. Однако завышение технологического, эмпирически расчетного параметра, коэффициента перебора грунта, на стадии разработки проекта приводит к увеличению стоимости строительства. Определение фактического коэффициента перебора на основе эмпирических данных строительства в аналогичных планово-высотных и грунтовых условиях позволяет вычислить его реальное значение для дальнейшего проектирования с целью оптимизации затрат на строительство и мероприятий по сохранности зданий и сооружений. Мульда оседания земной поверхности была впервые достаточно хорошо исследована Мартосом [5] с целью предположить, что осадки земной поверхности в поперечном сечении тоннеля могут быть представлены кривой Гаусса. Позднее, в 1969 г., Пек [6] и Шмидт[1] представили свою работу и доказали, что перемещения дневной поверхности действительно можно описать кривой нормального распределения. Проблема теоретического определения смещения грунта от тоннелепроходческих работ является важной задачей уже многие десятилетия, поэтому развитие параметрического исследования, связанного с тоннелированием, получило устойчивое развитие в конце XX в. при строительстве Лондонского метрополитена [7]. Впервые объем накопленного опыта по данным мониторинга земной поверхности позволил впоследствии использовать эти данные для определения величины зоны распространения вертикальных перемещений массива грунта от оси тоннеля. Нью и Бауэрс [8] описали новую методику, которая позволяет моделировать задачу в трехмерном пространстве с более точным определением расчетной зоны влияния, где в качестве исходных данных необходимо задавать геометрию участка тоннеля и объем перебора грунта, примерные значения которого было определены в лабораторных условиях. Эта модель была подтверждена обширными полевыми измерениями, проведенными во время строительства испытательного тоннеля Хитроу-Экспресс в Лондонском аэропорту. Определением технологического параметра по результатам проектирования и строительства в Лондонской глине Маклином установлена зависимость [9] объема перебора грунта от устойчивости массива. Вместе с тем определено, что перебор грунта имеет накопительный характер и складывается из потери объема в забое из-за проникновения грунта в осевом направлении, из-за наклона щита или так называемых «ныряний», в результате снятия усилия от домкрата для продвижения машины до установки блока нового кольца [10], недостаточного заполнения пустот в заобделочное пространство и последующей деформации обделки тоннеля [11]. В работе С.В. Мазеина выведен точный расчет средних прогнозных осадок в центре мульды с учетом коэффициента перебора, корреляционно связанного с давлением пригруза забоя, наклоном щита и скоростью проходки [12]. Дополнительно известно, что наличие в забое смешанных пород в большинстве случаев приводит к повышенному объему перебора, а залегание прочной прослойки грунта над сводом тоннеля свидетельствует о пониженном фактическим параметре [13]. Авторы И.О. Исаев и Р.Ф. Шарафутдинов в своей работе отмечают, что перебор грунта в наибольшей степени зависит от типа оборудования и вида разрабатываемого грунта в забое щита [13]. Также установлено, что коэффициент перебора имеет наиболее выраженную корреляционную зависимость с продолжительностью деформаций грунта [14], потери разрабатываемой породы больше проявляются со стороны слабых пород, что приводит к асимметричной мульде оседания [15]. По результатам численного моделирования и данным геотехнического мониторинга Л.А. Строкова определила фактический коэффициент перебора грунта и установила, что для более точного пересчета параметра и прогноза необходимо использовать упругопластическую модель с изотропным упрочнением с учетом жесткости малых деформаций (HSS - hardening soil with small - strain stiffness) [16]. Благодаря научным работам других зарубежных авторов описаны зависимости коэффициента перебора и глубины залегания тоннеля [17], а также коэффициента перебора и параметра ширины зоны влияния [18], зависящего от типа грунта[2]. Установлено, что при уменьшении данных параметров происходит приращение объема перебора грунта. Ранее авторами в статьях по смежным этапам проводилось определение расчетного коэффициента перебора с помощью данных геотехнического мониторинга, описывались факторы, влияющие на его величину, задаваемую при проектировании, также методы его определения. Авторами отмечалось, что дополнительные осадки зданий при проектном коэффициенте перебора в двухмерной постановке значительно выше, чем в трехмерной [19], поэтому завышение данного параметра наиболее выражено в задачах в плоской постановке. Дополнительно установлено, что по результатам пересчета коэффициент варьируется в пределах от 0,1 до 1,3 %, [20] и, как правило, его значение превышает 1 % с обеспеченностью 0,1. Целью настоящего исследования является дальнейшая корректировка технологического параметра, при строительстве двухпутного тоннеля с помощью ТПМК диаметром резания 10 м в программном комплексе Plaxis. Данные, изложенные в этой статье, могут также использоваться для составления нормативной документации, определяющей коэффициент перебора для дисперсных грунтов. Материалы и методы В данной статье рассматривается участок строительства перегонного двухпутного тоннеля от переходной камеры за ст. «Косино» до ст. «Юго-Восточная» на ПК 70.00 до ПК 79.00 с помощью тоннелепроходческого механизированного комплекса Herrenkneht TMB EPB 10850 с грунтопригрузом. Диаметр резанья 10 820 мм. Диаметры обделки: наружный - 10 500 мм, внутренний - 9600 мм. В геологическом строении преимущественно располагаются пески разной крупности, влажные, реже - супеси пластичные и суглинки тугопластичные, характеризующиеся как слабо- и среднепучинистые (рис. 1). Оценка влияния от строительства тоннеля осуществлялась в Plaxis в плоской и пространственной постановке с проектным коэффициентом перебора 1,5 %. Результаты расчетов представлены в табл. 1. На рис. 2 приведен план участка трассы со зданиями. В качестве примера расчетных схем на рис. 3, 4 представлены плоская и объемная модели со зданием по адресу: ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 (№ 2 на плане). Рис. 1. Инженерно-геологический разрез с продольным профилем трассы Fig. 1. Engineering and geological section with longitudinal profile of track Таблица 1 Расчетные дополнительные перемещения зданий и сооружений Table 1 Estimated additional movement of buildings and structures Номер на плане Адрес здания или сооружения Номер сечения Губина заложения до оси тоннеля, м Расстояние от здания до оси тоннеля в плане, м Осадка в ПВК Plaxis 2D, мм Осадка в ПВК Plaxis 3D, мм 1 МКАД, 8-й километр, д. 3, к. 2 1-1 25,6 0* 32,6 24,8 2 Ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 2-2 27,3 35,2 2,2 1,4 3 Самаркандский бульвар, д. 134, к. 5 3-3 26,4 23,2 9,1 6,7 4 Ул. Ферганская, д. 23 4-4 22,2 0* 28,0 22,6 Приведенные в табл. 1 данные подтверждают завышение осадок здания в плоской постановке. Дополнительно видна зависимость осадки фундамента от расстояния между зданием и тоннелем в плане (здание находится над тоннелем). На время строительства тоннеля были выполнены работы по наблюдению за изменением планово-высотного положения несущих конструкций зданий и сооружений с целью фиксации деформационных процессов на ранней стадии, чтобы в случае приближения к предельным значениям выполнить комплекс противоаварийных мероприятий. Фактическая осадка фундамента, по которой осуществлялся пересчет параметра, представлена в табл. 2. Началом работ по мониторингу считается приближение забоя до 50 м к габаритам зданий, отдаление забоя более 50 м от здания является моментом окончания работ [4]. Рис. 2. План трассы со зданиями Fig. 2. Road plan with buildings 2. Ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 Рис. 3. Двухмерная расчетная схема сечения 2-2 в створе здания, ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 Fig. 3. Two-dimensional estimated scheme of the section 2-2 within the building, Ferganskaya st., Bld. 25, Pde. 2 2. Ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 Рис. 4. Трехмерная расчетная схема сечения 2-2 в створе здания, ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 Fig. 4. Three-dimensional estimated scheme of the section 2-2 within the building, Ferganskaya st., Bld. 25, Pde. 2 Таблица 2 Фактические вертикальные перемещения зданий и сооружений Table 2 Actual vertical displacements of buildings and structures Номер на плане Адрес здания или сооружения Фактическое вертикальное перемещение, мм 1 МКАД, 8-й километр, д. 3, к. 2 6,7 2 Ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 1,8 3 Самаркандский бульвар, д. 134, к. 5 1,8 4 Ул. Ферганская, д. 23 3,5 Результаты исследования По результатам мониторинга, отражающего реальные перемещения фундаментов здания, была осуществлена корректировка коэффициента перебора методом постепенных итераций. Расчетный коэффициент перебора каждой расчетной схемы для двухмерной и трехмерной задачи представлен в табл. 3. Таблица 3 Данные обратного расчета Table 3 Data back calculation Номер на плане Адрес здания или сооружения Cref проектный Cref расчетный, Plaxis 2D Cref расчетный, Plaxis 3D Процентный прирост, % 1 МКАД, 8-й километр, д. 3, к. 2 1,5 0,35 0,61 74,3 2 Ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 1,5 1,24 2,35 89,5 3 Самаркандский бульвар, д. 134, к. 5 1,5 0,41 0,78 90,2 4 Ул. Ферганская, д. 23 1,5 0,32 0,52 62,5 Анализ результатов табл. 3 позволяет отметить, что расчетный коэффициент перебора для двухмерной постановки преимущественно варьируется в пределах от 0,35 до 0,64 %, а для трехмерной постановки - от 0,52 до 0,79 %. Из общей статистики выбивается коэффициент перебора для здания по адресу: ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 (№ 2 на плане). Это можно объяснить развитием дополнительных деформаций, близких к прогнозным значениям вследствие повторного запуска ТПМК после его остановки для замены режущего органа, что объясняет соответствующий коэффициент перебора. Заключение и обсуждение Согласно данным геотехнического мониторинга можно сделать вывод о завышении расчетных значений вертикальных перемещений фундамента здания на стадии проектирования при использовании в расчетах значений коэффициента перебора, представленных в действующей справочной и нормативной литературе. Расчетный коэффициент перебора для двухмерной постановки, согласно обратным расчетам по результатам фактического мониторинга осадок, варьируется в диапазоне от 0,32 до 0,41 %, для трехмерной - от 0,52 до 0,78 %. Между расчетным значением перебора для двухмерной и трехмерной постановки наблюдается прирост от 62,5 до 90,2 %. Наименьшая разница для двух методов численного моделирования наблюдается в расчетных схемах, где здание располагается над тоннелем. Осадки, полученные в расчетных схемах со зданием по адресу: ул. Ферганская, д. 25, стр. 2 (№ 2 на плане), не учитывались в статистических данных в связи с превышением им пределов варьирования по причине остановки ТПМК на данном участке. Рекомендуется осуществлять остановку тоннелепроходческого комплекса только в крайних случаях. Замену режущего органа и другие технологические остановки ТПМК производить в местах, свободных от застройки. Дополнительно рекомендуется при моделировании задачи по определению влияния закрытой проходки на здания и сооружения повышенного уровня ответственности в рамках оценки рисков учитывать коэффициент перебора, представленный в действующей нормативной литературе. Данная статья является заключительной среди работ, посвященных корректировке коэффициента перебора в дисперсных грунтах. По результатам этой и предыдущих работ [19, 20] можно сделать вывод о явном приросте в процентном соотношении между расчетными коэффициентами, полученными по результатам корректировки в плоской и пространственной модели. Также можно отметить меньшее расхождение между параметрами, полученными в схемах, где здание находится в пределах проходки.

About the authors

A. Z Ter-Martirosian

Moscow State (National Research) University of Civil Engineering

V. P Kivliuk

Mosinzhproekt” JSC

I. O Isaev

Mosinzhproekt” JSC

V. V Shishkina

Mosinzhproekt” JSC

References

Statistics

Views

Abstract - 1320

PDF (Russian) - 425

Refbacks

• There are currently no refbacks.