РЕАЛИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ПРИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ КОНСТРУКТИВНО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Щекудов Е.В., к.т.н., доцент

Филиал ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены»,  Москва

 

      Одно из ведущих направлений оптимизации конструкции подземного сооружения в современном тоннелестроении заключается в создании гибких тонких обделок, работающих совместно с окружающим грунтом. Наиболее подходящей крепью, отвечающей такому подходу, является набрызгбетонная крепь в сочетании с анкерами или металлическими арками, как быстро вступающая в работу и хорошо сопротивляющаяся местным вывалам породы.

      Важным элементом при этом является осуществление мониторинга за состоянием окружающего выработку грунтового массива и набрызгбетонной крепи в процессе сооружения тоннеля, на основании результатов которого в проект строительства могут быть внесены оперативные коррективы, включающие изменения конструктивных параметров обделки и технологии ведения работ.

      Филиал ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» осуществлял научное сопровождение проектирования и возведения по новоавстрийской технологии (НАТМ) арочно-набрызгбетонной крепи на строительстве двух тоннелей большого поперечного сечения (станции метрополитена «Жибек Жолы» г. Алматы (рис. 1) и «Чкаловская» г. Екатеринбург (рис. 2)).

      На обоих объектах в качестве обделки была выбрана двухслойная конструкция, состоящая из первичной арочно-набрызгбетонной и вторичной монолитной железобетонной крепи, хотя данные станции сооружаются в совершенно разных инженерно-геологических условиях.

      Станция метрополитена «Жибек Жолы» сооружается на глубине 35 м в галечниковых грунтах. При этом сейсмичность района строительства оценивается в 9 баллов.

      Станция состоит из трех отдельных непересекающихся тоннелей криволинейного очертания, соединенных между собой проемами. Поперечная площадь одного тоннеля составляет 85,9 м2. Разработку грунта в каждой выработке станционного тоннеля ведут уступным способом в три горизонтальные ступени.

      Первоначальным проектом строительства станции, разработанным известной австрийской фирмой «Beton-und-Monierbau», предусматривалось применение  набрызгбетона с ограниченной долговечностью для восприятия первичной крепью нагрузок только в период проходки тоннеля, т.е. по проекту все возможные эксплуатационные нагрузки должна воспринимать внутренняя железобетонная обделка.

      В целях оптимизации конструкции НИЦ «Тоннели и метрополитены» предложил включить набрызгбетонную крепь в состав постоянной обделки, что позволило уменьшить толщину вторичной железобетонной обделки. Это может быть достигнуто путем ввода специальных добавок, которые, являясь ускорителями схватывания и твердения бетонной смеси, обеспечат долговечность прочностных свойств набрызгбетона.

 Рисунок 1 – Пространственная конечно-элементная модель и ее фрагмент для расчетов конструкции станции «Жибек Жолы»

Рисунок 1 – Пространственная конечно-элементная модель и ее фрагмент для расчетов конструкции станции «Жибек Жолы»

       Кроме того, подвергся изменениям проект сооружения межтоннельных проемов. Для снижения трудоемкости работ было предложено облегчить набрызгбетонную крепь станционных тоннелей в местах проемов, разбиваемую при их сооружении.

      Станция «Чкаловская», расположенная на глубине 27 м, сооружается в сложных инженерно-геологических условиях. Грунты представлены преимущественно вулканогенными  метаморфизированными скальными породами, такими как порфириты основного состава и туфы порфиритов с углами падения 60˚-80˚.

      Строительство осуществляется по классической схеме, характерной для станции односводчатого типа. Для обеспечения проектного очертания контура калотты и сохранности конструкции свода, имеющего пролет 22 м, разработку грунта в забое калотты вели заходками по 1.2 м.

      НИЦ «Тоннели и метрополитены» разработал проект конструкции первичной арочно-набрызгбетонной крепи свода станции, включающий конструкцию решетчатых арок и предложения по технологии возведения крепи.

 Рисунок 2 – Пространственная конечно-элементная модель и ее фрагмент для расчетов конструкции станции «Чкаловская»

Рисунок 2 – Пространственная конечно-элементная модель и ее фрагмент для расчетов конструкции станции «Чкаловская»

       Уже в процессе возведения первых метров свода анализ результатов мониторинга реального состояния крепи выявил возможность облегчить конструкцию первичной обделки. Решение состояло в варьировании шага установки металлических арок в зависимости от изменения активного горного давления на крепь, меняющегося по длине станции.

      Инструментом исследований напряженно-деформированного состояния грунтового массива и элементов крепи при проведении расчетов обоих объектов являлось численное моделирование, выполненное в современном  комплексе  геотехнических  программ  «PLAXIS 3D Tunnel», реализующего метод конечных элементов.

      Измеренные в период строительства тоннелей значения деформаций, перемещений, напряжений, как в обделке, так и в породе хорошо сходятся с теоретическими значениями, полученными на расчетных моделях. На рис. 3 приведен график вертикальных смещений реперов, равномерно установленных в набрызгбетонном своде, во времени.

      Таким образом, выполненная работа по оптимизации конструкции арочно-набрызгбетонной крепи в направлении изменения прочностных свойств набрызгбетона, проектирования металлических арок экономичной конструкции и подбора оптимальной толщины крепи, учитывая результаты мониторинга, показала свою эффективность на рассмотренных выше объектах.

 Рисунок 3 – График смещений реперов в своде на ПК39+55.9 станции «Чкаловская»

                Рисунок 3 – График смещений реперов в своде на ПК39+55.9 станции «Чкаловская»

       Трехсводчатая, колонного типа станция первой очереди метрополитена г. Алматы «Байконур» по проекту фирмы «Beton-und Monierbau», сооружалась с применением новоавстрийского тоннельного метода (НАТМ). Станция заложена на глубине 12÷18 м в массиве галечниковых грунтов аллювиально-пролювиального происхождения четвертичного возраста, с песчано-гравийным заполнителем и включением хорошо окатанных валунов размером до 700 мм в объеме до 40%. В пределах сооружения станции грунты маловлажные. Подземные воды, по отношению к бетону марки W6, по водонепроницаемости не агрессивны. Принимая во внимание высокую расчетную сейсмичность района строительства (9 баллов) и характер вмещающего массива условия строительства можно охарактеризовать как неблагоприятные.

      Данная технология предусматривает устройство временной податливой набрызгбетонной крепи на величину заходки под защитой опережающей крепи из экрана из труб, с последующим возведением монолитной железобетонной обделки.

      В качестве инструмента применяемого для оценки напряженно-деформированного состояния обделки станции совместно с вмещающим грунтовым массивом был применен метод математического моделирования, который позволяет рассматривать математические модели, как  физические выполненные в реальном масштабе (1:1), а программное обеспечение как лабораторную установку или комплект инструментов натурных исследований. Последовательный анализ, происходящих при этом физических процессов, позволяет в достаточно полной мере определить основные закономерности взаимодействия обделки станции совместно с вмещающим грунтовым массивом, а также разработать рекомендации по армированию основных конструктивных элементов с учетом всех особенностей работы крепи.

      Численное моделирование строящейся станции «Байконур» метрополитена в г. Алматы проводилось в пространственной постановке с использованием современной компьютерной программы «Z-Soil 3D» (Швейцария).

      Моделируемые выработки представлены на рис. 4. Размеры, показанной на нём  расчетной области, составляют: 92,5 × 44,25 ¸ 48 × 62,5 м (соответственно по осям X, Y и Z).

      При моделировании были учтены 43 этапа возведения станции, включающие: сквозную проходку левого перегонного тоннеля (пилот–тоннеля для станции), поэтапное сооружение левого станционного тоннеля по технологии НАТМ, аналогичную проходку правого перегонного тоннеля и поэтапное сооружение правого станционного тоннеля, сооружение среднего станционного тоннеля с поэтапным устройством колонн, а также этапы, соответствующие периоду эксплуатации, в том числе на землетрясение с расчетной сейсмичностью.

      Проведение моделирования с учетом фактической этапности строительства также позволяет проводить прогнозную оценку деформаций и условий работы элементов конструкции на любой период времени. Это, в свою очередь, даёт возможность при ведении непрерывного мониторинга своевременно реагировать на возможные неблагоприятные процессы и вносить изменения в принятые конструктивно-технологические решения. Одним из критериев оценки могут служить представленные на рис. 5. величины распределения вертикальных перемещений.

      Проведенный анализ результатов поэтапного моделирования позволил выявить, что для принятой технологии возведения станции возможны значительные сжимающие и растягивающие напряжения в бетоне временной набрызгбетонной крепи, находящейся между боковым и средним тоннелями. При этом величины максимальных сжимающих напряжений могут достигнуть величины 30000 кН/м2 (30МПа), а максимальные растягивающие напряжения – 15000 кН/м2 (рис. 6). Поэтому было рекомендовано перед началом разработки среднего зала предусмотреть устройство дополнительных расстрелов в боковых тоннелях, либо установку в них колонн.

 Рисунок 4 – Расчетная область и моделируемые выработки станции «Байконур»

 

Рисунок 4 – Расчетная область и моделируемые выработки станции «Байконур»

 

 

 Рисунок 5 – Распределение вертикальных перемещений на период проходки левого тоннеля и эксплуатации станции

 

Рисунок 5 – Распределение вертикальных перемещений на период проходки левого тоннеля и эксплуатации станции

 

 

 Рисунок 6 – Распределение максимальных главных напряжений 1 на период проходки центрального тоннеля

Рисунок 6 – Распределение максимальных главных напряжений s1 на период проходки центрального тоннеля

       Анализ НДС конструкции и вмещающего массива показал, что горизонтальные перемещения по величине не превышают 14,3 мм. Максимальная осадка зафиксирована в зоне сводов боковых тоннелей и достигает 34,7 мм, и не превышает 28 мм у дневной поверхности. При этом значительного изменения в характере распределения перемещений и напряжений в зоне временной крепи с момента проходки среднего тоннеля не наблюдается. Максимальные сжимающие напряжения в бетонной обделке достигают 13900 кН/м2, что не превышает расчетного сопротивления бетона на сжатие (В25), а максимальные растягивающие напряжения достигают 3800 кН/м2 (рис. 7), превышая расчетное сопротивление бетона на растяжение и свидетельствуя о необходимости армирования.

Рекомендации для проектирования по проценту армирования были даны соответственно вычисленным значениям моментов в обделке (см. их эпюры на            рис. 8).

 Рисунок 7 – Распределение максимальных главных напряжений в обделке 1 на период эксплуатации

Рисунок 7 – Распределение максимальных главных напряженийв обделке s1 на период эксплуатации

 

 

 Рисунок 8 – Распределение моментов в обделке на период эксплуатации (в плоскости сечения)

Рисунок 8 – Распределение моментов в обделке на период эксплуатации (в плоскости сечения)

 

      Моделирование сейсмического воздействия для всех элементов конструкции выявило увеличение величин моментов и, как следствие, ухудшение условий их работы. Следует отметить, что степень влияния сейсмического воздействия для всех конструктивных элементов различна и для некоторых из них достигает 60%.

      Реконструируемая транспортная развязка находится на пересечении Ленинградского проспекта и Волоколамского шоссе, вблизи станции метро «Сокол» и является частью комплекса мероприятий по организации движения транспорта на участке от Ленинградского проспекта до Ленинградского шоссе в безсветофорном режиме. Площадь строительства характеризуется наличием плотной городской застройки, большого количества подземных коммуникаций, включая коллектор с дюкером реки Таракановки, а также наличием крайне интенсивного городского автотранспортного и пешеходного движения.

      Объектом особого внимания является проходящая вдоль Ленинградского проспекта, в непосредственной близости от реконструируемых и вновь возводимых объектов развязки, Замоскворецкая линия Московского метрополитена мелкого заложения.

      Обделка правого перегонного тоннеля (I путь) выполнена из чугунных тюбингов наружным диаметром 6 м и внутренним 5.6 м с перевязкой швов. Заложение тоннеля мелкое – около 3 – 4 м.

      Левый перегонный тоннель (камера съездов, II-IV пути) совмещен с двухпутной веткой в депо и имеет размеры сечения 6.1 × 15.2 м2. Тоннель сооружался открытым способом, обделка тоннеля собрана из железобетонных блоков, перегонный тоннель отделен от ветки рядом железобетонных колонн сечением 0.55 × 0.55 м2 с шагом 2.5 м. Лотковая ж.-б. плита имеет толщину 0.55 м, стены – 0.4 м, ригель – 0.65 м (кессонные плиты).

      Обследование состояния тоннелей показало, что оно является удовлетворительным.

      Строительство транспортной развязки Ленинградского и Волоколамского шоссе выполняется в сложных инженерно-геологических и  градостроительных условиях. Высокий уровень грунтовых вод, слабые грунты в основаниях существующих и строящихся объектов, пересечения новых тоннелей с линией действующего метрополитена чрезвычайно осложняют ведение строительных работ. В геологическом строении участка строительства принимают участие отложения четвертичной, юрской и каменноугольной систем. Геологическая «колонка» представлена насыпным слоем грунта, песчано-супесчаными грунтами, суглинками и глинами.

      В зоне строительства новой транспортной развязки планируется соорудить два новых тоннеля – Балтийский и Волоколамский и будет выполнена реконструкция Ленинградского тоннеля. Наибольшее влияние на состояние перегонных тоннелей метрополитена может оказать сооружение Балтийского тоннеля, проходящего в непосредственной близости под ними по перпендикулярному направлению. На рис. 9 показано сечение по оси Балтийского тоннеля, дающее представление о взаимном расположении тоннелей метрополитена и строящихся автодорожных тоннелей.

 Рисунок 9 – Сечение по оси Балтийского тоннеля

Рисунок 9 – Сечение по оси Балтийского тоннеля

 

       Конструктивные решения тоннелей принимаются в увязке с общей схемой автотранспортной развязки в районе станции метро «Сокол». В поперечном сечении оба тоннеля имеют две секции для пропуска в каждой одного направления движения. В каждом направлении предусматривается одностороннее движение в виде трех полос.

      Закрытая часть тоннелей представлена следующими типами конструкций:

  • закрытая составная двухпролетная прямоугольная рама с одноэтажным перекрытием в виде плоской плиты;
  • двухпролетная составная рама с отверстием, имеющим поперечные ребра в центре, и с обратным ребристым перекрытием по краям;
  • закрытая составная двухпролетная прямоугольная рама с двухэтажным перекрытием в виде плоских плит с системой перегородок между ними;
  • закрытая составная двухпролетная прямоугольная рама с трехэтажным перекрытием в виде плоских плит с системой перегородок между ними;
  • закрытая замкнутая двухпролетная прямоугольная рама в зоне закрытой проходки под экраном из труб.

      Моделирование влияния сооружения Волоколамского тоннеля на состояние тоннелей метрополитена показало, что оно весьма незначительно, что позволяет упростить расчетную модель.

      В качестве расчетного средства для пространственного моделирования строительства развязки использован комплекс программ «PLAXIS 3D TUNNEL», разработанный компанией “PLAXIS b/v.” (лицензия № 031015-C01). Комплекс предназначен для решения задач инженерной геотехники и широко используется во всем мире.

       Этот программный комплекс реализует метод конечных элементов для непрерывной упругопластической среды и дает возможность проследить изменение НДС крепи при ее поэтапном сооружении.

      Использование этого метода расчета, детально моделирующего метод строительства, обеспечивает более надежную оценку статической работы конструкции крепи.

      На рис. 10 показана пространственная расчетная модель, симметричная относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось Балтийского тоннеля. Размеры модели фрагмента полупространства 155 м (ширина)×70 м (высота)×50 м (длина).

 Рисунок 10 – Расчетная пространственная модель

Рисунок 10 – Расчетная пространственная модель

 

      В расчетной модели грунт наделяется упругопластическими свойствами, стены в котлованах, обделки тоннелей и защитный экран из труб моделируются упругими плитами, поддерживающие рамы и расстрелы в котлованах – упругими стержнями. Укрепленный грунт в основаниях котлованов и тоннелей метрополитенов, а также в сечении Балтийского тоннеля моделируется материалом с модулем упругости 50000 кГ/см2 и прочностью 50 кГ/см2. Модули упругости грунтов получены из модулей деформаций, увеличенных в 3 раза (СНиП 2.01.09-91 «Здания и сооружения на подрабатываемых территориях»).

      Моделирование всех этапов строительства по проекту ООО «Спецметропроект» показало, что зоны растяжения образуются, главным образом, в укрепленном грунте у стен и в днище котлованов, вокруг участков Балтийского тоннеля, сооружаемых под защитой экрана из труб, пластические зоны не образуются.

      Предельный момент в ж.б. обделке значительно меньше расчетного; это значит, что арматура обделки не выдержит действующих нагрузок при отсутствии отпора на длине 30 м. Предельный момент по работе бетона перекрытия на растяжение также заметно меньше расчетного изгибающего момента. Максимальный пролет, на котором возможна работа обделки без отпора в лотке составит 20 м.

      Результаты проведенных исследований в основном подтвердили правомерность специальных мероприятий, предусмотренных проектом ООО «Спецметропроект» по реконструкции транспортной развязки Ленинградского и Волоколамского шоссе для обеспечения эксплуатационной надежности сооружений метрополитена, попадающих в зону строительства:

  • укрепление грунта под тоннелями метрополитена;
  • укрепление грунта в лотке стартовых и приемного котлованов для снижения деформаций грунтового массива;
  • защитные экраны из труб;
  • укрепление грунта в теле участков тоннеля.

      Для минимизации негативного эффекта от разработки котлованов вблизи тоннелей метрополитена, устройства экранов из труб и производства горно-проходческих работ было рекомендовано, дополнительно к предусмотренному в проекте.

  • Провести струйную цементацию зон расположения Балтийского тоннеля под тоннелями метрополитена на всю его высоту при ширине не менее 40 м.
  • Установить на этих участках в тоннелях метрополитена страховочные пакеты на время выполнения работ по сооружению под ними Балтийского тоннеля.
  • В зоне влияния строительства на участке расположения деформационного шва и в перекрытии выполнить усиление обделки тоннеля метрополитена по II-IV пути для восприятия продольного изгибающего момента.
  • При выполнении работ по микротоннелированию вести непрерывный мониторинг тоннелей метрополитена с периодическим геофизическим контролем качества контакта «обделка-грунт» в лотке тоннелей. При обнаружении пустот (или разуплотнения грунта) незамедлительно производить тампонаж (или компенсационное нагнетание) для уменьшения осадки.

      В октябре 2006г. завершилась проходка последнего в комплексе Серебряноборских тоннелей – правого. Строительство велось в зоне Серебряноборского лесничества под территорией заповедной зоны в сложных инженерно – геологических и гидрогеологических условиях.

      Одним из основных требований к строителям и проектировщикам магистрали, определившим выбор подземного способа ее прокладки с применением современного импортного оборудования – тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) фирмы «Herrenknecht» (Германия) с гидрощитом диаметром D = 14,2 м и сборной высокоточной водонепроницаемой железобетонной обделки, явилась необходимость обеспечения полной сохранности окружающей природной и городской среды.

      Как показал предварительный анализ, выполненный по результатам обследования, сохранность объектов городской инфраструктуры, представленных коттеджными поселками и инженерными коммуникациями, может быть гарантирована при осадках дневной поверхности в диапазоне от 10 до 30 мм, т.е. при реализации, по сути, безосадочной проходки.

      Определенный опыт сооружения тоннелей щитами с активным пригрузом забоя, в том числе и указанным выше (тоннели под р. Эльбой в Гамбурге, Лефортовский – в Москве) свидетельствовал о выполнимости этого условия. Однако чтобы учесть возможные последствия от разрушения зданий или аварии на коммуникациях, необходимо было вначале теоретически для данных конкретных условий заложения трассы тоннелей определить диапазон возможных осадок и, сравнив пессимистический прогноз с допускаемыми осадками для каждого из объектов, дать рекомендации для проектирования – выполнять (и какие) либо не выполнять защитные мероприятия.

      Методика прогнозирования деформаций грунтового массива НИЦ «Тоннели и метрополитены» позволяет решать задачу взаимной работы грунтового массива с искусственными сооружениями, в том числе и под действием внешней нагрузки, как пространственную упруго-пластическую  задачу (в качестве примера представлена схема на рисунке 11).

 Рисунок 11 – Характерная  расчетная схема

Рисунок 11 – Характерная  расчетная схема

 

      Для моделирования работы грунта в ней была использована нелинейная упругопластическая  модель Мора-Кулона, формируемая в виде зависимостей бесконечно малых приращений эффективных напряжений (скорости эффективных напряжений) и бесконечно малых приращений деформации (скорости деформации). Изополя полных смещений массива, возникающих после проходки щитового комплекса и сооружения постоянной обделки тоннелей, в одном из расчетных сечений представлены на рисунке 12.

      Для каждого расчетного сечения были определены возможные осадки поверхности при различных объемах заполнения зазора между поверхностью выработки и обделкой, образующегося после ее схода с оболочки щита.

 Рисунок 12 – Изополя полных смещений массива

Рисунок 12 – Изополя полных смещений массива

 

       Для моделирования потери объема грунта из-за строительства тоннеля щитовым способом применяется понятие «усадка». Под усадкой подразумевается уменьшение площади сечения выработки из-за неполного заполнения строительного зазора. В данной схеме усадка задается вместе с включением в работу тоннельной обделки для моделирования уменьшения площади поперечного сечения тоннеля. Усадка определяется как процент уменьшения площади поперечного сечения тоннеля по сравнению с первоначальной.

      В расчетах рассматривались 2 варианта. Для случая оптимистического прогнозирования предполагается, что заполнение строительного зазора осуществляется практически полностью и своевременно. Пессимистическое прогнозирование допускает некоторое отступление от технологического регламента.

      На графике (рис. 13) представлены результаты расчета и значения фактических осадок поверхности грунтового массива от окончательной проходки трех тоннелей.

      После ПК 08+00 параметры усадки увеличены в 2 раза. Это связано с изменением инженерно – геологических условий заложения тоннелей – проходка осуществлялась в глинистых грунтах.

 Рисунок 13 – Осадки поверхности от проходки двух  транспортных и одного сервисного  тоннелей (расчетный диапазон и фактические деформации)

 Рисунок 13 – Осадки поверхности от проходки двух  транспортных и одного сервисного  тоннелей (расчетный диапазон и фактические деформации)

 

      Из полученных результатов можно сделать следующий вывод: расчет грунтового массива по нелинейной упругопластической  модели Мора-Кулона с учетом величины усадки удовлетворительно работает в песчаных грунтах, диапазон расчетных осадок соответствует фактическим показателям. Для глинистых условий данная математическая модель дает завышенные в 2 раза значения осадок.

      Условия современной строительной деятельности в городах требуют понимания и количественной оценки взаимовлияния объектов ведущегося подземного и наземного строительства и их воздействия на такие высокоответственные сооружения как, например, действующие станции метрополитена.

      Рассмотрим предлагаемый для решения этой задачи подход на примере строительства многофункционального торгового комплекса (МФТК), подземная часть которого длиной 240 и шириной от 40 до 90 м, состоит из четырех основных и одного технологического уровней, а так же автономного 3х÷5ти уровневого блока гаражей на 900 машиномест, над станцией метрополитена глубокого заложения (рис. 14). В качестве инструмента для анализа здесь был применен метод математического моделирования.

      Особенностью моделирования рассматриваемой системы является то обстоятельство, что при принятой схеме производства работ влияние на конструкцию станции оказывает производство работ не только непосредственно над отдельным элементом, но и работы вблизи от нее. Решение такой задачи возможно только методом конечных элементов (МКЭ) с помощью современных компьютерных программ. Одним из таких расчетных комплексов является выбранная для данных исследований компьютерная программа «Z_SOIL.PC», разработанная фирмой ZACE Services Ltd.[1] в г. Лозанна (Швейцария). Этот программный продукт позволяет учитывать свойства грунтов и конструкционных материалов, последовательность возведения сооружений и т.д. с реализацией расчёта на персональных ЭВМ.

      В процессе моделирования была учтена определенная проектом вся последовательность (в 38 этапов) строительства МФТК.

      Моделирование проводилось в упруго-пластической постановке с использованием модели пластического течения по условию прочности Мора–Кулона.

      Расчётная область включала в себя массив грунтов основания протяженностью 210 м × 117 м и максимальной глубиной от поверхности 46,3 м (рис. 15).

      Для обеспечения сохранности инженерных сооружений метрополитена, проектом предусматривался ряд мероприятий по укреплению грунтов окружающего массива, учтенные при создании расчетной конечно-элементной модели. Основные работы по возведению комплекса были разделены на два этапа:

     1ый этап – разработка котлована в зоне парковки сверху до низу с креплением «стен в грунте» распорными элементами и последующим возведением конструкций гаража;

      2ой этап – возведение торгово-развлекательной части корпуса включающей разработку центральной части с оставлением берм и возведением центральной опорной части сооружения с последующим сооружением ограждающих стен и внутренних несущих колонн заглубленной части, опирающихся на известняки, с последовательным сооружением перекрытий и поярусной разработкой грунта «сверху–вниз».

 Рисунок 14 – Взаимное расположение строящегося многофункционального комплекса и существующей станции метрополитена (а – общий вид; б – расчетная модель)

Рисунок 14 – Взаимное расположение строящегося многофункционального комплекса и существующей станции метрополитена (а – общий вид; б – расчетная модель)

 

 

 Рисунок 15 – Расчетная область

Рисунок 15 – Расчетная область 

       В результате проведенного моделирования были определены возможные перемещения элементов конструкций станции для всех основных этапов работ.

      Сравнение полученных на основании математического моделирования прогнозных величин перемещений конструкций станции с их допустимыми значениями (до 5 мм – из условия обеспечения нормальной эксплуатации станции) на всех этапах строительства МФТК позволило сделать вывод о возможности строительства МФТК при условии предварительного укрепления грунтов над станцией.

      На трассе строящегося Дублера Курортного проспекта в г. Сочи расположен тоннельный комплекс №1 тоннеля длиной 1,5 км под 2 полосы движения, сооружаемый в сложных инженерно-геологических условиях, + штольня длиной 500 м.

      Горный массив, вмещающий тоннельный комплекс, представлен преимущественно трещиноватыми аргиллитами и песчаниками разной степени раздробленности и обводненности и характеризуемых, соответственно как участки с относительно благоприятными условиями проходки (коэффициенты крепости по Протодьяконову от 1,0 до 3,0).

       Трасса тоннеля, расположенная в зоне расчетного 9-ти балльного землетрясения, пересекает несколько зон тектонических разломов.

      Проектом ОАО «Ленметрогипротранс» сооружение тоннеля было предусмотрено разработкой грунта горно-проходческим комбайном с рабочим органом избирательного действия фрезерного типа в 3 этапа: калоттный профиль высотой 7 м и заходками от 1 до 3 м, нижний уступ высотой 2,3м и доработка под лоток тоннеля на глубину 1м на каждом этапе в зависимости от устойчивости забоя. Вслед за разработкой грунта производится временное крепление выработки по всему периметру сечения и лбу забоя набрызгбетоном толщиной 300 мм и анкерами длиной от 6 до 17м, а также стальными решетчатыми арками.

      Поверочные расчеты и результаты выполненного на математических моделях с использованием современного комплекса геотехнических программ «Plaxis» исследования НДС несущей системы «крепь-массив» для различных этапов сооружения тоннеля и штольни (рис. 16) позволили получить представление о статической работе и несущей способности проектных крепей и дать ряд рекомендаций.

 Рисунок 16 – Расчетная пространственная модель

Рисунок 16 – Расчетная пространственная модель

 

      Было рекомендовано, в частности:

      1. Прямолинейное очертание стен и лотка тоннеля заменить на криволинейное.

      2. Для обеспечения требуемой несущей способности временной крепи на участках с весьма неблагоприятными условиями необходимо либо, сохранив ее проектную толщину в 300мм, усилить  введением в набрызгбетон класса по прочности В35 стальной фибры из расчета 60кг на м3, либо принять конструкцию из набрызгбетона класса В30 толщиной 350мм с шагом анкеров по своду 0,5м (в продольном направлении) и 1,2м в поперечном.

      Проектное положение основания калотты обеспечить либо устройством на уровне свода с шагом 150мм опорных ж.б. анкеров в скважинах 0,5мм и длиной 4м, либо расширив пяты свода за контур тоннеля.

      3. Для относительно благоприятных грунтовых условий принять крепь без анкеров из набрызгбетона класса В25 толщиной 300мм и арками через 1м.

      4. Постоянную обделку тоннеля принять как двухслойную конструкцию, состоящую из крепи по п.п. 1 и 3 (первичная обделка) и внутренней железобетонной конструкции (вторичная обделка) из бетона класса В30 толщиной 350мм, разделенных по своду и стенам гидроизоляцией.

      5. Уменьшить в связи с изменением толщины вторичной обделки (350мм вместо 500мм), ширину тоннельной выработки на 100-150мм в зависимости от условий проходки.

      6. С целью уточнения на стадии рабочего проектирования технологических параметров проходки, для ориентировочной оценки устойчивости выработки по длине тоннеля использовать диаграмму изменения показателя устойчивости (рис. 17), вычисленного по методу интегральной оценки устойчивости обнажений Булычева Н.С. и Фотиевой Н.Н. с учетом данных инженерно-геологических изысканий. За критерий устойчивости принято значение показателя

Z

 

, где

z- коэффициент повышения устойчивости пород за счет пластичности,

 z- коэффициент концентрации напряжений на контуре выработки,

 z- угол внутреннего трения горной породы,

z - отношение полной деформации к упругой.

      Учитывая высокую степень ответственности сооружения и пионерный характер рекомендуемых решений, внедрение новой технологии было решено начать сохранив предусмотренные проектом основные габариты сечения тоннеля (ширину и высоту) по наружному контуру, имея ввиду получение экономии за счет соответствующего снижения процента армирования и класса бетона вторичной обделки и связанное с этим сокращение времени выполнения работ, а также материальных и трудовых затрат на возведение обделки. Кроме того, для оценки адекватности принятых решений реальным условиям строительства и возможности оперативной корректировки в направлении повышения безопасности работ и надежности обделки в состав мониторинга НДС «крепь-массив» включен опережающий прогноз состояния массива геофизическими методами.

 Рисунок 17 – Диаграмма изменения значений показателя устойчивости выработки kуст. по длине тоннеля

Рисунок 17 – Диаграмма изменения значений показателя устойчивости выработки kуст. по длине тоннеля

 

      Текущая оценка НДС конструкции осуществляется с помощью тензометрических и струнных датчиков, опрашиваемых в разное время в зависимости от интенсивности изменения показаний, а также съемными индикаторными приборами высокой точности. По специально разработанной в НИЦ ТМ программе «Sochi_T1» выполняется обработка и анализ данных измерений. Полученные в процессе мониторинга деформации и усилия в обделке сравниваются с их расчетными значениями. Если измеренные значения не превышают расчетных, то НДС крепи не внушает опасений (уровень опасности 0).

      В случае превышения (1-й уровень опасности) организуют более частые наблюдения с целью определения изменений скорости деформаций. Увеличение скорости деформации во времени свидетельствует о том, что обстановка становится опасной и требуется оперативный анализ и возможное применение дополнительных мер по усилению крепи. При необходимости по деформациям должны быть определены усилия и напряжения в конструкции (последние сравниваются с нормативными прочностными показателями материала). При повышении прочностных показателей (2-й уровень опасности) проектировщики с участием подрядчика и организации, осуществляющей научное сопровождение строительства (в данном случае НИЦ ТМ) принимают решение об усилении крепи (об установке дополнительных анкеров, стоек или дополнительном набрызгбетонировании).

      Исследование на математической модели позволило оптимизировать параметры конструкций первичной и вторичной обделок и предложить соответствующие изменения в проектные решения.

 

     Статья опубликована в журнале «Технологии мира», №10  2011 год.