Автор:  М.М.Тупиков, в соавторстве с д.т.н., проф. В.А.Ильичёв и д.т.н. Н.С.Никифорова

 

АННОТАЦИЯ: Работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленным на прогнозирование деформаций поверхности грунта и зданий, возникающих при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения, сооружаемых щитовым способом, а также мерам по снижению возникающих вследствие такой проходки деформаций.

 

  1. ВВЕДЕНИЕ

В отличие от транспортных тоннелей глубокого заложения коммуникационные тоннели имеют диаметр D = 3 ÷ 4 м, глубину заложения H = 4 ÷ 8 м, относительная глубина заложения χ = H/D не превышает 3. Тогда как к тоннелям глубокого заложения относятся тоннели с относительной глубиной заложения больше 3.

Известным методом расчёта осадок поверхности грунта является метод R.B.Peck [1], который в достаточно простой форме выявил зависимость осадки поверхности при прокладке тоннелей от расстояния от оси тоннеля, диаметра D и глубины заложения H, характеристик грунта (учитывая напластование грунтов) и коэффициента перебора грунта VL. Метод получил развитие в работе J.B.Burland , J.R.Standing and F.M.Jardine  [2], в которой приведена формула для аргумента точки перегиба графика функции кривой осадок поверхности грунта при проходке тоннеля. Также применение нашли разработки G.W.Clough и B.Schmidt [3], которые модифицировали метод R.B.Peck, дополнив её характеристикой влажности. Схема осадки поверхности по приведенным эмпирическим методам с параметрами, входящими в состав формул, приведена на рисунке 1.

Однако как показывает практика строительства тоннелей мелкого заложения методы расчета, пригодные для тоннелей глубокого заложения, не всегда корректны применительно к тоннелям мелкого заложения. Целью нашей работы является установление зависимостей для деформаций поверхности грунтового массива и разработка метода прогноза деформаций зданий при прокладке  тоннелей мелкого заложения.

 

  1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования, направленные на получение зависимостей для прогнозирования деформаций поверхности при прокладке тоннелей мелкого заложения, включали в себя проведение натурных замеров и численных исследований на 5 объектах на московских строительных площадках и сопоставление их с полученными по формулам эмпирических методов для глубоких тоннелей. Описание объектов натурных и численных исследований представлены в таблице 1.

На рисунках 2 и 3 приведен один из объектов натурных исследований: строительство коллектора дождевой канализации вдоль улицы Грузинский вал в Москве. Коллектор диаметром 4 м сооружался методом щитовой проходки тоннелепроходческим комплексом Lovat RME 163 SE series 23300 с грунтопригрузом. Глубина заложения от 4,0 до 8,0 м. (расчеты проводил НИИОСП им.Н.М. Герсеванова, научное сопровождение было поручено НИИОСП им.Н.М.Герсеванова и АНО АНТЦ РААСН). Особенностью проходки было то, что щит шёл близко от поверхности, под или в насыпном слое грунта. Фирма «Lovat» прогнозировала коэффициент перебора грунта 1,78%, тогда как замеренные данные показали коэффициент перебора грунта до 5,5%.

 

Таблица 1

Объект Инженерно-геологические условия VL, % H, м D , м χ=

=H/D

1 Коллектор дождевой канализации на ул. Грузинский вал. Створ № 1 Насыпные пески –0,5 м; Пески от пылеватых до крупных, рыхлые и ср. плотности, водонасыщенные – до  12 м; УПВ — 2…4 м 2,6 4 4 1
2 Коллектор дождевой канализации на ул. Грузинский вал. Створ № 4 Насыпные пески – до 5 м; Пески от пылеватых до крупных, рыхлые и ср. плотности, водонасыщенные – до 12 м; УПВ – 2 м 4,3 4,5 4 1,13
3 Коллектор на п/ст. «Ильинская». Разрез 1 Песок средней крупности  со строительным мусором – 2 м; песок средней крупности – 1 м, средней плотности, влажный и насыщенный водой, глина пылеватая, полутвердая–до 8 м; УПВ–3 м 5 5,4 3,2 1,69
4 Коллектор «Новобратцево-Войко-вская». Участок между камерами №5-№7 Насыпные пески – 3 м; Мягкопластичные глины  — 2 м; Далее пески мелкие; УПВ —  1,5…4 м 1,1 6 3,5 1,71
5 Строительство коллектора от п/ст Угреша. Разрез № 4 насыпь – 0,50 м, песок до низа расчетной области; аллювиальные и флювиогляциальные пески средней крупности, крупные и гравелистые, влажные и водонасыщенные, пылеватые и мелкие, влажные, средней плотности–до 12 м; УПВ–3 м 5 5,5 3,2 1,72
6 Строительство коллектора от п/ст Угреша . Разрез № 3 насыпь – 1,30, песок до низа расчетной области; аллювиальные и флювиогляциальные пески средней крупности, крупные и гравелистые, влажные и водонасыщенные, пылеватые и мелкие, влажные, средней плотности–до 10 м; УПВ–3 м 5 5,77 3,2 1,80
7 Строительство коллектора от п/ст Угреша . Разрез  № 2 насыпь – 2,5 м, песок до низа расчетной области; современные аллювиальные пески мелкие  глинистые и пылеватые, водонасыщенные, средней плотности–до 10 м; УПВ–3 м 5 6,07 3,2 1,90
8 Коллектор на п/ст. «Ильинская». Разрез 3 Песок средней крупности  со строительным мусором — 2 м; Глина пылеватая, полутвердая – 3,8 м; Песок средней крупности, средней плотности, влажный и насыщенный водой–до 8 м; УПВ–2,5 м 5 7,4 3,2 2,31
9 Строительство коллектора от п/ст Угреша . Разрез № 5 насыпь – 4,60 м, торф — 0,7 м, песок до низа расчетной области; аллювиальные и флювиогляциальные пески средней крупности, крупные и гравелистые, влажные и водонасыщенные, пылеватые и мелкие, влажные, средней плотности–до 10 м; УПВ–3 м 5 7,4 3,2 2,31
10 Коллектор «Новобратцево-Войков-ская». Участок между камерами №10-№13 Насыпные пески – 1,5-2 м; Пески средней крупности – 3…4 м, УПВ – 4…5 м 2,2 7 3 2,33
11 Коллектор от п/ст «Золотаревская». Сечение 5 Супесчано-суглинистые грунты насыпного слоя — 6,3 м; Суглинок пылеватый мягкопластичный — 1,4 м; Песок мелкий средней плотности–до 4..6 м; УПВ–3 м 3 8,1 3,2 2,53
12 Коллектор от п/ст «Золотаревская». Сечение 1 Супесчано-суглинистые грунты насыпного слоя – 1,5 м; Суглинок пылеватый тугопластичный – 1,5 м; Суглинок песчанистый мягкопластичный– 4 м; УПВ–3..4 м 2 5,4 3,2 1,68

Полученные по натурным данным значения коэффициентов перебора грунта составили от 2 до 5,5 %, что в целом больше, чем для заглубленных тоннелей и связано со спецификой строительства. Из-за небольшой глубины и даже при малых сечениях распределение природного давления по высоте забоя должно существенно меняться при расстоянии от поверхности ~(2÷3)∙D    (D — диаметр тоннеля). Поэтому создаваемое по высоте забоя эффективное противодавление может быть недостаточным внизу забоя и избыточным вверху забоя. Это подтверждается тем, что на трассе тоннеля на ул.Грузинский вал имел место выход пены на поверхность в двух местах.

Согласно экспериментальным данным значения коэффициентов перебора грунта при сооружении коммуникационных тоннелей имеют зависимость от относительной глубины заложения H/D. С её возрастанием значения коэффициентов перебора грунта уменьшаются. Анализ данных также показал, что наличие насыпного слоя и условие близости проходки щитового комплекса к нему существенно влияют на значения коэффициента перебора грунта. Если щит проходит близко к насыпному слою или идёт в нём, значения коэффициентов перебора грунта возрастают. Для гидрогеологических условий значения коэффициента перебора грунта тем меньше, чем ниже уровень подземных вод.

Проведено сопоставление замеренных осадок поверхности в условиях «зеленой лужайки» (без зданий на поверхности) с расчётными значениями, полученными по формулам эмпирического метода прогноза деформаций поверхности над транспортными тоннелями глубокого заложения большого диаметра, предложенного R.B.Peck  и др. и его модификации G. W.Clough и B.Schmidt (Рис.4).

Результаты сопоставления показали возможность использования двух рассмотренных методов к исследованию деформаций поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения с корректировкой коэффициентов. Для предварительных прогнозов и дальнейших исследований автором был выбран эмпирический метод R.B.Peck и др., так как графики осадок этого метода показали однообразное отклонение от графиков натурных наблюдений.

Таким образом, возникла необходимость адаптации метода R.B.Peck и др. к тоннелям мелкого заложения.

 

  1. МЕТОД ПРОГНОЗА ОСАДОК ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОКЛАДКЕ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

При разработке метода прогноза осадок поверхности грунта при проходке тоннелей мелкого заложения были получены аппроксимации осадок поверхности грунта при прокладке тоннелей мелкого заложения для 5 объектов. Коэффициент достоверности аппроксимации R2 составил от 0,92 до 0,99. Для каждого сечения были установлены коэффициенты к параметрам формулы R.B.Peck и др. На основе полученных  значений корректирующих коэффициентов аппроксимацией методом наименьших квадратов получены их зависимости от относительной глубины заложения в виде полинома второй степени:

С использованием корректирующих коэффициентов на базе объектов натурных и численных исследований разработан метод прогнозирования деформаций поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения, представленный формулой для осадок поверхности грунта:

Границы применимости полученных корректирующих коэффициентов варьируются от 1 до 2,5 относительных глубин заложения тоннеля мелкого заложения.

 

  1. ОСАДКИ ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ ГОРОДА МОСКВЫ

На территории Москвы залегают разнообразные по происхождению и возрасту грунты. Анализ колонок, составленных Мосгоргеотрестом, позволил выделить на территории г. Москвы семь типовых инженерно-геологических разрезов. Инженерно-геологические колонки и физико-механические характеристики грунтов для районов перспективной застройки, полученные по опыту Мосгоргеотреста, взяты из МГСН 2-07-97 «Основания, фундаменты и подземные сооружения», М., Правительство Москвы, 1998 г. [13].

Осредненные физико-механические характеристики грунтов, показанных на  инженерно-геологических разрезах с указанием микрорайонов перспективной застройки,  приведены в табл. 2. Схема районирования типовых инженерно-геологических условий по округам города Москвы приведена на рисунке 5.

Таблица 2

Тип  инже-нерно- геологи-ческого

разреза

Вид грунта Толщина слоя, hi, м Характеристики Сектор Микрорайоны
сн,

КПа

φ,

град.

Е,

МПа

I Техногенные

(насыпные)

h1=1…3

(2)

1 10 Север Северный и др.
Запад Солнцево
Глины и суглинки

полутвердые и тугопластичные

h2 ›10 50 17 30 Центр
Юг Южное Бутово
II Техногенные

(насыпные)

h1= 2 1 10 Восток Новокосино,

Жулебино

и др.

Пески мелкие,

средней плотности

h2= 2 2 33 33
Суглинки тугоплас-тичные h3= 2 39 19 26
Пески мелкие и

средней плотности

h4 ›10 1 35 35
III Техногенные

(насыпные)

h1=1…2

(2,5)

1 10 Юг

 

Марьино

и др.

Пески  от крупных до мелких,  плотные и

средней плотности

h2 ›10 1 30 27 Центр В пределах

3-его транс-портного

кольца

IV Техногенные

(насыпные)

h1= 3 1 10 Юг Братеево
Глины и суглинки

мягко- и

текучепластичные

h2= 4 37 15 10 Запад Митино
Пески пылеватые,

средней плотности и плотные

h3 ≤5 3 26 20
V Техногенные

(насыпные)

h1= 1 1 10 Юг Северное

Бутово

Глины полутвердые

и тугопластичные

h2= 5 65 17 22
Пески мелкие и пылеватые,

средней плотности и плотные

h3 ›10 5 35 30
VI Техногенные

(насыпные)

h1= 3 1 10 Центр В пределах

3-его транс-портного

кольца

Глины и суглинки

текучепластичные и текучие

(возможно с органикой)

h2 ›10 15 15 8
VII Техногенные

(насыпные)

h1= 3 1 10 Центр В пределах

3-его транс-портного

кольца

Пески мелкие и пылеватые,

рыхлые

h2 ›10 2 26 11

Для ориентировочных расчётов деформаций поверхности построены с применением полученного метода прогнозирования осадок поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения графики осадки, относительной неравномерности осадок, кривизны поверхности (рис. 6) над коммуникационными тоннелями мелкого заложения для семи характерных инженерно-геологических разрезов Москвы. Это было отражено в рекомендациях «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений» АНО АНТЦ РААСН (2007).

Значения коэффициента перебора грунта VL приняты от 1% до 3%. Глубина заложения мелкозаглубленного коммуникационного тоннеля варьируется от 4 до 8 м.

Вычислены ориентировочные значения максимальных осадок поверхности (от 5 от 120 мм) и значения ширины зоны влияния, то есть зоны где необходимо вести геотехнический мониторинг, в зависимости от глубины продольной оси тоннеля z0 (табл. 3).

Таблица 3

Тип инженерно-геологических условий ½ · Bзв
I 2,0 · z0
II 1,5 · z0
III 1,5 · z0
IV 2,5 · z0
V 1,5 · z0
VI 2,5 · z0
VII 1,2 · z0

Примечание: Тип инженерно-геологических условий определяется по табл.2.

 

  1. ПРОГНОЗ ОСАДОК ЗДАНИЙ ПРИ ПРОКЛАДКЕ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

Для определения осадок зданий при прокладке коммуникационного тоннеля мелкого заложения необходимо установить зависимость, включающую такие параметры, как вес здания, его жёсткость, удалённость от шелыги коммуникационного тоннеля, глубину и диаметр коммуникационного тоннеля и деформируемость  грунта. Для этого была решена задача о балке на упругом винклеровском основании с заданным смещением линии опор, описанным формулой вертикальных перемещений упомянутого выше метода прогнозирования осадок поверхности грунта при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения. Здание поперечного расположения в плане относительно трассы коммуникационного тоннеля моделировалось балкой бесконечной (для случая, когда здание располагается над трассой тоннеля, рис.7а) и полубесконечной длины (когда здание расположено на некотором расстоянии по поверхности грунта от оси тоннеля, рис.7б). Аналогичный подход предложен и применен в работе Н.С. Никифоровой  [10] для прогнозирования деформаций зданий в зоне влияния глубоких котлованов.

Дифференциальное уравнение прогибов балки описывается выражением (3).

Воспользуемся методом Б.Г.Коренева [9] решения задачи о балке на упругом основании при действии произвольно распределенной нагрузки с использованием функции влияния для вертикального перемещения балки от действия сосредоточенной силы. Для последней задачи граничные условия имеют следующий вид.

В случае бесконечной балки (балка загружена сосредоточенной силой P, ввиду симметричности рассматривается только правая часть балки):

Граничные условия в случае полубесконечной балки имеют следующий вид. Балка загружена сосредоточенной силой P на левом конце.

В формуле (3) f(x) – вертикальное перемещение поверхности по методу прогнозирования осадок поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения [7] вида (4).

Согласно проф. Б.Г.Кореневу [9] решение задачи о прогибе бесконечной и полубесконечной балки имеет вид (5а) и (5б) соответственно

В случае прогибов балки, вызванных сооружением коммуникационного тоннеля мелкого заложения, выражение (6) принимает вид (7а) в случае бесконечной балки и (7б) в случае полубесконечной балки.

Таким образом, задача о прогибе балки сводится к вычислению интегралов (7а) и (7б). Полученные выражения для прогибов бесконечной и полубесконечной балки соответственно имеют вид

 

В компактной форме выражение для осадок зданий представлено формулой (8а) для случая, когда здание протяжённой длины расположено над тоннелем и (8б), когда здание расположено на некотором расстоянии по поверхности грунта от оси тоннеля.

Для определения величины EJ для зданий различной этажности можно воспользоваться таблицей 4. Эта таблица рекомендована J.N. Franzius & T.I.  Addenbrooke [11] и использована в  работе Н.С.Никифоровой [10] для определения влияния веса и жёсткости здания на осадку поверхности над тоннелем. При этом считается, что n-этажное здание состоит из n+1 перекрытий.

 

Таблица 4

Здание EJ, кНм2
Плита 6,47*103
1 этаж 2,00 *107
3 этажа 6,00 *108
5 этажей 6,98 *108
10 этажей 4,39 *109

 

Величина коэффициента постели k ориентировочно принимается согласно рекомендациям С.Б.Ухова и др., 1994: (0,3…0,9)*104 кН/м3 – при E< 10 МПа; (1…2,9)*104 кН/м3 – при E0 =10…20 МПа; (3…8)*104 кН/м3 – при E0 = 21…35 МПа [12].

Рассмотрим пример: здание по улице Грузинский вал, д. 31. Здание одноэтажное, кирпичное, прямоугольного очертания в плане (рис.8а).

Коммуникационный тоннель сооружается тоннелепроходческим комплексом Lovat RME 163 SE. Коммуникационный тоннель имеет диаметр D = 4,0 м. В рассматриваемом сечении глубина заложения коммуникационного тоннеля составляет H = 3,0 м. Нагрузка на фундаменты составляет: кН/м2. Графики осадок зданий, полученных численным моделированием по программе Plaxis 2D в плоской постановке с использованием модели Кулона-Мора, натурные данные и полученные с использованием формулы (8б) разработанного метода представлены на рисунке 8б.

  1. МЕРЫ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОХОДКИ ТОННЕЛЕЙ МАЛЫМИ ЩИТАМИ

Разработанный метод расчёта осадок зданий при прокладке тоннелей мелкого заложения основан на фактическом производстве работ. С целью снижения влияния проходки тоннелей применяются различные методы, такие как устройство отсечных экранов, усиление оснований и фундаментов, а также верхних конструкций зданий, компенсационное нагнетание и т.д. Однако, в инженерно-геологических условиях, представленных пылеватыми водонасыщенными песками, химическое закрепление грунта над тоннелем не всегда даёт положительный результат (примером является коллектор вдоль улицы Грузинский вал). Усиление фундаментов сваями тоже не всегда представляется возможным. В этих случаях возможно применение мер по модернизации технологии проходки (разработкой специального технологического регламента).

Таким образом, в  дополнение к существующим защитным мероприятиям нами предложены меры по модернизации технологии проходки, направленные на снижение осадок поверхности грунта и зданий. Они включают в себя 1) модификацию свойств нагнетаемого в заобделочное пространство раствора, 2) уменьшение строительного зазора, возникающего при продвижении щита, 3) непрерывный при продвижении щита процесс закачивания смеси в заобделочное пространство. Особенно это эффективно при проходке щита под зданиями.

Внедрение указанных мер в виде технологического регламента на объекте строительства коллектора вдоль улицы Грузинский вал в Москве привело к значительному снижению осадок (до 7 раз, с 70 до 10 мм). На рисунке 9 показаны графики осадок по деформационным маркам вдоль фасада здания после проходки хвостовой части щитового комплекса до применения мер (11марта 2008 года) и после начала их применения (18 марта 2008 года).

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

  1. Установлены закономерности деформирования поверхности грунта при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.
  2. Составлена совокупность графиков деформаций поверхности грунта для московских инженерно-геологических условий. Определена зона работ по геотехническому мониторингу.
  3. Разработан метод прогноза осадок зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения на основе аналитического решения задачи о балке на винклеровском основании с заданным смещением линии опор, описывающем вертикальные перемещения поверхности грунта.
  4. Предложены меры по модернизации технологии проходки, внедрение которых на объекте привело к снижению осадок до 7 раз.
  5. Полученные формулы для осадок поверхности грунта и зданий при строительстве коммуникациронных тоннелей мелкого заложения могут быть применимы в следующих границах их относительной глубины заложения: H/D = 1÷2,5.
  6. Проведённые исследования легли в основу Рекомендаций «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений» АНО АНТЦ РААСН (работы выполнялись по заказу ОАО «Мосинжпроект»).

 

Литература

  1. Peck, R B Deep excavation and tunnelling in soft ground. State of the art report //Proc 7th Int Conf SMFE.- Mexico City, — pp 147-150.
  2. Burland, J.B., Standing, J.R. and Jardine F.M. Building responce to tunnelling. Case studies from construction of the Jubilee Line Extension, London, vol.1: projects and methods. — London, UK: Imperial College, CIRIA, 2001.- 344 p.
  3. Clough, G. W. & Schmidt, B. Design and performance of excavations and tunnels in soft clay. In  Soft Clay engineering, Brand, E.W. &  Brenner, R. eds, 1981- pp 569-634.
  4. Рекомендации «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений». М., АНО АНТЦ РААСН, 2007г.
  5. Ilyichev А., Konovalov P.A., Nikiforova N.S., Tupikov M.M. Prediction of surface deformations, caused by shallow service tunnels construction activities in Moscow. //Proc 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (17th ICSMGE).- Egypt, Alexandria, 2009, pp 1993-1996.
  6. Ильичев В. А., Никифорова Н. С., Тупиков М. М. Применение эмпирического метода Р. Б. Пека и его модификации для прогноза деформаций поверхности над мелкозаглубленными коммуникационными тоннелями в Москве. Вестник гражданских инженеров. № 3 (20) сентябрь. Санкт-Петербург: 2009 г.
  7. Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Тупиков М.М. Деформации поверхности при прокладке мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей. Строительство и реконструкция. Известия ОрелГТУ. № 6/26 (574) (ноябрь-декабрь). Орел: 2009 г.
  8. M.Tupikov. Prediction of deformation of surfaces and Buildings due to shallow service tunnels construction. // Proc 20 European Young Geotechnical Engineering Conference. (20th EYGEC) – Czech Republic, Brno, 2010, pp 300-307.
  9. Коренев Б.Г. «Вопросы расчёта балок и плит на упругом основании». М., Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1954.
  10. Никифорова Н.С. Закономерности деформирования оснований зданий вблизи глубоких котлованов и защитные мероприятия. /Автореферат докторской диссертации.- М., 2008.- 34 с.
  11. Franzius, J N & Addenbrooke, T.I. The influence of building weight on the relative stiffness method of predicting tunnelling-induced building deformation // Proc. the 3rd Symp. (IS-Toulouse 2002) «Geotechnical  Aspects of Underground Construction in Soft Ground»  1st Session:Design methods of tunnels: Stability, settlements, and tunnel linings.- Toulouse, France,  23-25 October, 2002.-   pp 53 -57.
  12. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышов С.Н./Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: АСВ, 1994.- 527 с.
  13. МГСН 2-07-97 «Основания, фундаменты и подземные сооружения». М., Правительство Москвы, 1998 г., 92 с.