Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблема оценки вредного влияния процесса движения при строительстве эскалаторных тоннелей 12
1.1 Строительство эскалаторных тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами. Состояние и перспективы развития 12
1.2 Инженерно-геологические условия использования тоннелепроходческих механизированных комплексов 14
1.3 Особенности технологии проходки с точки зрения воздействия на массив и развития деформационных процессов 17
1.4 Вредное влияние горных работ на здания и сооружения 27
1.5 Существующие методы оценки сдвижений и деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей 36
ГЛАВА 2 Натурные исследования процесса сдвижения 44
2.1 Существующие методы мониторинга деформаций 44
2.2 Натурные данные, полученные по результатам наблюдений за процессом сдвижения по грунтовым и стенным реперам 46
2.3 Скважинный мониторинг 51
2.4 Анализ результатов натурных наблюдений 58
2.5 Обоснование новых способов мониторинга 61
2.5.1 Мониторинг с использованием роботизированных систем 61
2.5.2 Рекомендации по проведению скважинного мониторинга подрабатываемого массива 62
2.5.3 Рекомендации по проведению мониторинга оседаний по грунтовым реперам 65
ГЛАВА 3 Моделирование процесса сдвижения. анализ олученных результатов 67
3.1 Существующие методы математического моделирования. Обоснование спользования метода конечных элементов 67
3
3.2 Метод конечных элементов. Теория, использование, перспективы 68
3.3 Особенности моделирования эскалаторных тоннелей 74
3.4 Анализ факторов, определяющих деформационные процессы 81
3.5 Моделирование проходки эскалаторных тоннелей 82
3.5 Анализ данных моделирования и выявление основных закономерностей 86
3.5.1 Распределение сдвижений и деформаций в массиве 86
3.5.2 Анализ сдвижений и деформаций на поверхности 91
3.5.3 Факторы, обеспечивающие активацию деформационных процессов 98
ГЛАВА 4 Прогноз сдвижений и деформаций применительно к орно-геологическим условиям санкт-петербурга 102
4.1 Оценка границ зоны влияния горных работ 103
4.1.1 Выбор граничного критерия 103
4.1.2 Определение зоны влияния 105
4.2 Прогнозная оценка сдвижений и деформаций 111
4.2.1 Положение точки максимального оседания в мульде сдвижения 111
4.2.2 Определение размера полумульды 115
4.2.3 Оценка величины максимального оседания 116
4.2.4 Распределение сдвижений в мульде 118
4.2.5 Распределение деформаций в мульде 119
4.2.6 Методика расчета и исходные параметры для условий Санкт-Петербурга 120
4.3 Апробация методики на объектах – сравнение прогнозной методики и атурных данных 122
4.3.1 Сравнение прогнозной методики и данных, полученных по результатам натурных наблюдений эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская» 122
4.3.2. Сравнение прогнозной методики и данных, полученных по результатам атурных наблюдений эскалаторного тоннеля станции «Спасская» 123
4.3.3 Сравнение прогнозной методики и данных, полученных по результатам натурных наблюдений эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал» 125
4.4 Обоснование мероприятий для снижения вредного влияния 127
4.4.1. Обоснование грунтозакрепления 127
4.4.2 Оценка эффективности грунтозакрепления 129
Заключение 133
Список литературы 135
- Инженерно-геологические условия использования тоннелепроходческих механизированных комплексов
- Рекомендации по проведению скважинного мониторинга подрабатываемого массива
- Распределение сдвижений и деформаций в массиве
- Апробация методики на объектах – сравнение прогнозной методики и атурных данных
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время размещение объектов транспортной сети мегаполисов исключительно на земной поверхности не представляется возможным. Освоение подземного пространства, в свою очередь, невозможно без решения проблемы охраны зданий и сооружений от вредного влияния горных работ.
В последние годы в практику подземного строительства в Москве и Санкт-Петербурге впервые в мире внедрена новая технология проходки эскалаторных тоннелей механизированными комплексами с пригрузом забоя (ТПМК), позволяющая существенно сократить оседания на поверхности. Однако, как показали натурные наблюдения, даже в таких условиях на земной поверхности образуются деформации, опасные для зданий и сооружений, причем их уровень существенно варьируется от тоннеля к тоннелю. Так, деформации кривизны достигают 0.8 - 1.410-3 1/м, что в несколько раз превышает значения, традиционно использующиеся для определения границ зоны опасного влияния горных работ.
Существующие в настоящее время методики прогнозного расчета сдвижений и деформаций при строительстве тоннелей, как правило, касаются горизонтальных выработок. Немногочисленные работы, посвященные оценке сдвижений при строительстве эскалаторных тоннелей, сооружаемых в неустойчивых четвертичных породах, в основном связаны с технологией искусственного замораживания грунтов и характеризуются низкой достоверностью. Кроме того, для условий Санкт-Петербурга, где вопросы охраны зданий в историческом центре особенно актуальны, до сих пор отсутствует нормативный документ, регламентирующий вопросы оценки вредного влияния проходки эскалаторных тоннелей на окружающие сооружения.
Значительный вклад в изучение вопросов оценки сдвижений
горных пород при ведении подземных горных работ внесли работы
С.Г.Авершина, А.Г.Акимова, М.А.Иофиса, Д.А.Казаковского,
Г.Кратча, С.П.Колбенкова, Р.А.Муллера, В.Н.Гусева и др. Среди ра
бот, посвященных исследованиям этих вопросов в области тоннеле
строения, необходимо отметить работы Ю.А.Лиманова,
В.Ф.Подакова, С.Н.Сильвестрова, М.В.Долгих, Е.М.Волохова,
В.П.Хуцкого. В области математического моделирования сдвижений
и деформаций горных пород при проходке горных выработок следу-
ет отметить работы Б.З.Амусина, О.Зенкевича, М.Г.Мустафина, Д.В.Панфилова, А.Б.Фадеева, В.В.Чеботаева и др.
Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению геомеханических процессов, задача разработки прогнозных методов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием тоннелепроход-ческих механизированных комплексов на сегодняшний день не решена, и поэтому является актуальной.
Цель работы: повышение эффективности мероприятий по защите зданий и сооружений от вредного влияния горных работ при строительстве эскалаторных тоннелей на основе разработки нового метода прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности.
Идея работы заключается в комплексном использовании натурных данных и математического моделирования геомеханических процессов для выявления закономерностей и обоснования методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород.
Задачи исследований:
анализ условий сооружения эскалаторных тоннелей станций метрополитена на использование ТПМК с пригрузом забоя;
изучение существующих методов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве тоннелей;
сбор, анализ и обобщение данных натурных исследований процесса сдвижений и деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей с использованием ТПМК;
постановка и проведение математического моделирования геомеханических процессов на основе численных методов для выявления основных закономерностей развития сдвижений на качественном уровне;
совместная комплексная обработка данных натурных исследований и математического моделирования для верификации моделей и построения количественных зависимостей;
разработка инженерной методики расчета ожидаемых сдвижений земной поверхности при строительстве новых эскалаторных тоннелей;
обоснование эффективных способов деформационного мониторинга горных пород, зданий и сооружений при сооружении эскалаторных тоннелей.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Размер зоны влияния сооружения эскалаторного тоннеля оп
ределяется геометрическими характеристиками горно
геологических условий и слабо зависит от физико-механических
свойств пород, слагающих массив. Границы мульды сдвижения могут быть установлены на основе граничных углов как функций мощности четвертичных отложений.
-
Достоверный прогноз сдвижений земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей механизированными комплексами обеспечивается применением метода типовых кривых. Мульда сдвижения в главном поперечном сечении может быть описана показательно-степенной функцией.
-
В грунтовом массиве можно выделить приповерхностную зону, где вертикальные деформации растяжения практически отсутствуют. Эффективным способом снижения оседаний над тоннелем является применение методов грунтозакрепления в зоне проходки ниже указанной приповерхностной толщи.
Научная новизна работы:
1. Выявлены закономерности возникновения и развития сдви
жений и деформаций в массиве горных пород при сооружении эска
латорных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.
-
Определены закономерности распределения сдвижений и деформаций в пределах мульды сдвижения на земной поверхности и предложены типовые аналитические функции, описывающие сдвижения в главных сечениях мульды.
-
Выявлена и описана зависимость оседаний земной поверхности от сдвижений пород вблизи контура выработки, позволяющая рассчитывать максимальное оседание в мульдах.
4. Предложены граничные критерии при определении зоны
влияния горных работ на поверхности, определены граничные углы
и выявлены закономерности их изменения в разных горно
геологических условиях.
5. Теоретически обоснованы новые варианты снижения оседа
ний поверхности, основанные на использовании технологий грунто-
закрепления.
Методы исследований:
теоретические методы механики сплошных сред;
математическое моделирование геомеханических процессов от проходки эскалаторных тоннелей механизированным способом на основе метода конечных элементов (МКЭ);
методы математической статистики для обработки и обобщения результатов численного моделирования (методы наименьших квадратов, тренд-анализа).
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается большим объемом построенных и
обработанных моделей (более 200 моделей) с широкой вариацией исходных параметров и внутренней сходимостью результатов моделирования, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и предлагаемой прогнозной методики с данными натурных наблюдений при строительстве эскалаторных тоннелей метрополитена для горно-геологических условий строительства эскалаторных тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена.
Практическое значение работы
1. Полученные в работе граничные критерии и углы влияния
(граничные углы) позволяют просто и достоверно определять зону
влияния горных работ на поверхности, как на стадии проектирова
ния в прогнозной оценке вредного влияния на здания и сооружения,
так и в процессе строительства эскалаторных тоннелей при оценке
возможного ущерба от подработки.
-
Предлагаемая прогнозная методика, основанная на использовании типовых кривых, позволяет обоснованно получать величины сдвижений и деформаций на земной поверхности, производить количественную оценку влияния строительства эскалаторных тоннелей на здания и сооружения и обосновывать меры их защиты.
-
Разработанные рекомендации по организации мониторинга деформаций породного массива и земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей позволят повысить безопасность эксплуатации зданий и сооружений при их подработке эскалаторными тоннелями.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, СПГГУ, апрель 2011 г.), международной научно-практической конференции «Современные проблемы геомеханики, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г. Санкт-Петербург, СПГГУ, октябрь 2011 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (г. Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», октябрь 2012 г.), на ХХI форуме «Неделя горняка-2013» (г. Москва, МГГУ, январь 2013 г.), на ХV Международном маркшейдерском конгрессе (г. Аахен, Германия, сентябрь 2013 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного университета (2011-2014 г.).
Личный вклад автора заключается в постановке задач, создании и обработке данных численных моделей, по которым произво-
дилось исследование геомеханических процессов при механизированной проходке эскалаторных тоннелей; обработке и анализе данных натурных наблюдений за процессом сдвижения при строительстве эскалаторных тоннелей; обосновании функциональных зависимостей параметров мульды от горно-геологических условий проходки эскалаторных тоннелей; разработке методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 публикациях, из них 4 в журналах, включённых в перечень ведущих научных изданий ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 115 наименований. В работе 68 рисунков и 10 таблиц.
Инженерно-геологические условия использования тоннелепроходческих механизированных комплексов
Как было сказано выше, применение ТПМК целесообразно в условиях слабых обводненных грунтов, слагающих участок строительства [105]. Основная часть эмпирических данных, характеризующих условия проходки, набрана на объектах Санкт-Петербурга, поэтому более подробно рассмотрены примеры геологического строения грунтового массива в условиях Санкт-Петербурга.
В геологическом строении территории Санкт-Петербурга принимают участие породы фундамента (граниты, гнейсы и мигматиты архея и протерозоя), на которых залегают осадочные отложения венда и перекрывающий их комплекс четвертичных грунтов. Котлинский горизонт венда состоит из двух подсвит: нижнекотлинской и верхнекотлинской. Нижнекотлинская подсвита сложена песчано-алевритовыми разностями с прослоями глин и аргиллитов, а в нижней части - с прослоями гравелитовых песчаников и конгломератов (гдовский горизонт).
Верхнекотлинская подсвита сложена аргиллитоподобными глинами с тонкой горизонтальной слоистостью с глинисто-мергелистыми прослоями, мощностью 1-4 см и редко с прослойками песчаников мощностью 1-10 см.
Комплекс четвертичных отложений, перекрывающий коренные породы, представлен песчано-глинистыми осадками морского, озерно-ледникового генезиса и валунными суглинками ледникового генезиса.
На территории широко развита гидрографическая сеть. Подземные воды приурочены к песчаным слоям морских и озерно-ледниковых отложений и единичным линзам внутри моренных суглинков. Суммарная мощность обводненных грунтов достигает первых метров, в среднем до 10 м. Горизонт безнапорный со свободной водной поверхностью на глубине от 2 до 3 м, в редких случаях с незначительным напором до 8-10 м. Воды от пресных (0.5-0.6 г/л) до слабоминерализованных при загрязнении (до 3.1 г/л). Воды слабоагрессивные к бетону нормальной проницаемости по водородному показателю, содержанию агрессивной углекислоты и сульфатов, слабоагрессивные к арматуре по содержанию хлора. Воды в коренных отложениях верхнекотлинской подсвиты не агрессивные к бетону нормальной плотности.
Инженерно-геологические условия проходки эскалаторных тоннелей характеризуются большой мощностью четвертичных отложений (первые десятки метров). Эта толща представлена техногенными отложениями, песками, супесями, суглинками и глинами. Указанные слои значительно отличаются по физико механическим свойствам [8, 10]. Анализ геологических разрезов участков строительства трех эскалаторных тоннелей показал, что в толще четвертичных пород встречаются прослойки суглинка с пониженным модулем деформации (относительно близлежащих слоев). Важнейшие положения механики горных пород рассмотрены в работах [9, 26, 89, 100, 113]. Подстилающая их толща протерозойских пород имеет верхний переходный слой т. н. перемятых глин, который характеризуется большим значением модуля деформации, чем у покрывающих слоев, и меньшим, чем у подстилающих. Мощности слоев четвертичной и протерозойской толщи относительно выдержаны, контакты слоев практически горизонтальны. Характеризуя механические свойства пород четвертичного возраста в целом, важно отметить, что прочностные и деформационные характеристики по инженерно-геологическим элементам (ИГЭ) варьируются в широких пределах. Важным моментом в оценке расчетных значений физико-механических свойств грунтов является их статистическая достоверность. Согласно положениям ГОСТ 20522-96 [103], объединение слоев в инженерно-геологические элементы и оценка полученных усредненных свойств должны осуществляться на основе статистических критериев. Ключевым показателем здесь выступает коэффициент вариации, который для механических свойств принят равным 0.30. Для разных серий испытаний и величины доверительной вероятности относительный показатель точности для этих свойств может составлять от 0.03-0.04 (при большой выборке и малой доверительной вероятности) до 0.30-0.78 (при малой выборке и большой доверительной вероятности). При односторонней доверительной вероятности в 0.95 точность характеристик может колебаться от 3% до 40%. Следовательно, исходные данные по физико-механическим свойствам пород для проведения расчетов изначально характеризуются существенными погрешностями. Методы проведения испытаний для определения физических, прочностных и деформационных свойств грунтов регламентируются требованиями ГОСТ 12248-96, ГОСТ 5180–84 [102, 106]. Угол внутреннего трения , удельное сцепление с для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов устанавливают по результатам испытания грунта методом одноплоскостного среза. Испытания проводятся в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Для глинистых грунтов по специальному заданию может быть проведен повторный срез образца по фиксированной плоскости - срез «плашка по плашке».
Модуль деформации Е, угол внутреннего трения , удельное сцепление с для песков, глинистых, органо-минеральных грунтов определяют методом трехосного сжатия. Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения. Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки и изменения деформаций во времени. Модуль деформации Е для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести IL 0,25, супесей и суглинков, определяют методом компрессионного сжатия. Испытания образцов грунта проводят в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой. Предел прочности на одноосное сжатие R для водонасыщенных глинистых грунтов производится методом одноосного сжатия. Предел прочности на одноосное сжатие определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения. Следует отметить, что некоторые деформационные характеристики (модуль деформации) определяются косвенными методами по таблицам [74]. Кроме того, существует проблема учета масштабного фактора, характеризующего различие в поведении образца грунта к поведению грунта в массиве. Влияние масштабного фактора сложно учесть при определении характеристик грунтов и горных пород.
Рекомендации по проведению скважинного мониторинга подрабатываемого массива
Анализ развития деформаций в подрабатываемом массиве позволяет сформулировать рекомендации по организации скважинного мониторинга. Наибольшей информативностью будут обладать данные по сдвижениям в наклонной скважине, расположенной над сводом тоннеля, так как именно в этой зоне сконцентрированы максимальные сдвижения и именно отсюда начинается процесс развития деформаций. Опыт использования подобных наклонных скважин уже имеется (при строительстве эскалаторного тоннеля станции «Спасская»). Такую скважину необходимо обустроить на минимально возможном расстоянии от свода тоннеля и установить в нее датчики наклонов. Вертикальную скважину для этих же целей необходимо размещать в точке предполагаемых максимальных оседаний в мульде (рисунок 2.9).
Помимо контроля области деформаций над тоннелем, необходимо контролировать сдвижения и деформации в зонах массива по бокам от выработки. В этих зонах концентрируются вертикальные сдвижения и наибольшие горизонтальные сдвижения, от величин которых существенно зависит вид распределения сдвижений в массиве и, соответственно, форма мульды на земной поверхности. Для контроля развития зоны деформаций в боковой части массива необходимо размещать вертикальные скважины в главном поперечном сечении на минимальном расстоянии от контура выработки (не более одного радиуса), как показано на рисунке 2.10. Такие скважины необходимо оборудовать системой датчиков, обеспечивающих контроль не только вертикальных, но и горизонтальных перемещений (сдвижений). Устья скважин для деформационного мониторинга должны обязательно контролироваться в плане и по высоте, причем для этого желательно использовать вышеназванные станции с РЭТ.
Резюмируя предложения по повышению эффективности скважинного мониторинга при строительстве эскалаторных тоннелей, дополнительно можно рекомендовать:
- размещение наклонной скважины над осью эскалаторного тоннеля;
- размещение вертикальной скважины в точке прогнозируемых максимальных оседаний;
- размещение вертикальных скважин с системой трехмерной регистрации смещений в поперечном главном сечении мульды;
- контроль планового и высотного положения устьев всех устроенных кважин.
С учетом описанных особенностей наблюдательных станций, рганизованных при строительстве эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге, рекомендуется использовать линии реперов: одну в продольном главном сечении мульды и несколько линий в поперечном сечении мульды сдвижения. Количество поперечных линий реперов зависит от длины мульды вдоль оси тоннеля (или длины тоннеля). Форма мульды сдвижения от строительства эскалаторных тоннелей определяет необходимость устройства поперечной линии реперов через точку максимальной ширины мульды. Выбор расстояния между реперами наблюдательной станции должен быть обоснован возможностью описания форм мульд и анализа распределения деформаций в них. Для мульд небольших размеров (первые десятки метров) целесообразно применять интервалы длиной не более 6 - 8 м. Анализ данных при длинах интервалов больших, чем рассмотренные, показывает, что значения получаемых деформаций могут существенно уменьшаться, что недопустимо при выполнении точной оценки сдвижений и деформаций.
Выводы по второй главе
Проанализированы и обработаны данные натурных исследований сдвижений массива горных пород и земной поверхности, полученные при строительстве всех эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге, пройденных ТПМК. Произведена количественная оценка основных параметров процесса сдвижений и деформаций.
При исследовании данных натурных наблюдений вертикальных сдвижений на поверхности установлено, что рассчитанные по ним значения деформаций существенно превышают значения критических деформаций наклонов и кривизны, которые определяют зону опасного влияния процесса сдвижения на земную поверхность. Установлено, что геомеханические процессы продолжают развиваться около полугода после окончания проходки тоннеля, до 1,5-2,0 раз увеличивая величины сдвижений на момент завершения тоннелепроходческих работ.
На основе анализа данных скважинного мониторинга выявлены устойчивые закономерности развития деформационных процессов в массиве горных пород. Вертикальные сдвижения интенсивнее всего проявляются в четвертичных породах за зоной грунтозакрепления. С приближением к поверхности оседания затухают. Даже при благоприятных условиях проходки оседания на поверхности не удается снизить до уровня ниже 50-60 мм.
Изучение мульд сдвижения от строительства эскалаторных тоннелей с применением ТПМК, полученных по результатам натурных наблюдений процесса сдвижений и деформаций в условиях Санкт-Петербурга, показывает актуальность применения метода типовых кривых, когда мульды в главных сечениях описываются единой типовой функцией.
На основании комплексного анализа натурных маркшейдерских данных сформулированы рекомендации по модернизации существующих методов натурных наблюдений и предложены новые способы наблюдений для оценки процесса сдвижения в массиве и на земной поверхности.
Несмотря на большое количество данных натурных наблюдений, полученных при проходке эскалаторных тоннелей ТПМК, они не позволяют в полной мере рассмотреть процесс сдвижений и построить прогнозную методику оценки сдвижений и деформаций. Это создает предпосылки для использования методов математического моделирования геомеханических процессов, позволяющих обеспечить рассмотрение закономерностей развития деформационных процессов при проходке эскалаторных тоннелей.
Распределение сдвижений и деформаций в массиве
Вертикальные сдвижения в массиве распределяются неравномерно (рисунок 3.12). Характерные области сдвижений располагаются согласно геологическим слоям. Можно сделать вывод, что величина сдвижений в массиве определяется физико-механическими характеристиками пород, слагающих массив.
Рисунок 3.12 – Распределение вертикальной составляющей сдвижений в массиве при проходке эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская» в сечении по оси тоннеля (модель с упрочнением грунта)
Исследования закономерностей распределения сдвижений в массиве на моделях показали, что максимальные оседания в массиве реализуются вблизи границы контакта слоев слабых и прочных пород, т.е. с существенно отличающимися значениями модуля деформации (рисунок 3.13). Максимальные смещения вблизи тоннеля локализуются в шелыге свода в пределах четвертичных слоев, характеризующихся низкими деформационными характеристиками (рисунок 3.14). По результатам моделирования в лотке тоннеля наблюдаются положительные вертикальные смещения небольшой величины. Этот эффект является следствием «разгрузки» массива при проходке, обусловлен особенностями моделей поведения грунта.
В боковых частях контура выработки реализуются как вертикальные, так и горизонтальные смещения массива. Это иллюстрирует распределение полных сдвижений по контуру тоннеля (рисунок 3.15). Определение суммарной конвергенции пород по контуру тоннеля производилось с учетом сдвижений пород в шелыге свода тоннеля и в боковых частях контура тоннеля, сдвижение пород в лотке тоннеля не учитывалось из-за пренебрежительно малого влияния зоны разгрузки под тоннелем на оседания верхней части массива [19].
На основании результатов моделирования было произведено сравнение объема мульды с объемом, характеризующим конвергенцию пород массива вокруг тоннеля. Расчет объемов мульд оседания производились методом сечений. На рисунке 3.16 представлена полумульда сдвижения в главном поперечном сечении. Определение объема, характеризующего конвергенцию пород по контуру выработки, осуществлялось путем умножения усредненной конвергенции по контуру в сечении тоннеля на длину тоннеля. Результаты анализа данных моделирования по разным тоннелям показали, что объем мульды на поверхности оказывается меньше или равным объему, характеризующему конвергенцию по контуру тоннеля. Совпадение объемов мульд, рассчитанных по натурным данным и по результатам моделирования, обеспечивается с погрешностью от 2 до 20% по разным тоннелям. Такой разброс объясняется недостатком натурных данных, которые не позволяют корректно определить размер, и, соответственно, объем мульды.
По длине тоннеля сдвижения распределяются неравномерно. Анализ езультатов моделирования подтверждает, что в пределах зоны закрепления оверхностных грунтов (технология применялась при строительстве скалаторных тоннелей станций метро «Адмиралтейская» и «Спасская») процесс сдвижения практически не проявляется. Вертикальные сдвижения достигают наибольших значений за пределами этого участка при входе ТПМК в зону незакрепленных пород. Поэтому максимальные оседания локализуются в первой трети тоннеля в пределах четвертичной толщи. Затухают оседания ближе к концу трассы тоннеля, где, согласно геологическому строению массива, залегает слой протерозойских глин. Типичная картина распределения вертикальных сдвижений в массиве представлена на рисунке 3.17.
С удалением от зоны концентрации сдвижений над тоннелем происходит затухание сдвижений. Интенсивность этого затухания (проявляющаяся в вертикальных деформациях) существенно зависит от выбора модели пород.
Даже при использовании разных моделей сред и вариации их основных характеристик четко прослеживается связь между оседаниями в массиве и на земной поверхности. Анализ этой связи позволяет установить закономерности для максимального оседания на земной поверхности, которые будут рассмотрены ниже. Деформации в массиве, как и оседания, также распределяются неравномерно в вертикальном направлении. Закономерности распределения деформаций обусловлены соотношением величин деформационных Распределение вертикальных деформаций в массиве характеристик породных слоев в массиве. Например, из рисунка 3.18 видно, что наибольшие деформации в массиве локализованы в пределах слоев, характеризующихся меньшим значением модуля деформации, чем окружающие их слои. Горизонтальные сдвижения распределяются в массиве таким образом, что наибольшие значения локализованы в пределах одного геологического слоя, как показано на рисунке 3.19. Данный слой суглинков располагается между двумя слоями (глин и суглинков) с более высокими деформационными характеристиками. Максимальное значение горизонтальных сдвижений в данной области достигает 35-40 мм. Указанная область повышенных горизонтальных сдвижений влияет на формирование зоны сдвижений на земной поверхности: увеличивает размер мульды в поперечном направлении и значения оседаний в этой зоне.
Апробация методики на объектах – сравнение прогнозной методики и атурных данных
Как было показано выше, наибольшее влияние на величину максимального оседания в мульде сдвижения оказывают значения деформационных характеристик пород и значения смещений пород контура выработки (конвергенции), определяемые технологическими режимами проходки (давлением пригруза, степенью заполнения тампонажным раствором заобделочного пространства). Практика проходки трех эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге показала, что обеспечить отсутствие сдвижений пород по контуру тоннеля за счет четкого соблюдения технологических режимов невозможно (см. гл. 1). Обеспечить нулевую конвергенцию такая технология пока позволить не может, оседания пород в шелыге свода за пределами зоны струйной цементации при любых условиях будут не ниже 50-60 мм. Поэтому основным направлением обеспечения снижения оседаний на поверхности следует признать использование методов, позволяющих изменить свойства окружающих тоннель пород. Во 2 главе показано, что натурные маркшейдерские наблюдения подтверждают эффективность использования укрепления ослабленных грунтов массива применением метода струйной цементации для снижения оседаний, проявляющихся на земной поверхности. Варианты такого укрепления пород получили широкое распространение и характеризуются высокими технологическими показателями. Для оценки вариантов использования данной технологии толщу массива по длине тоннеля можно условно разделить на 3 зоны:
1. Зона минимальных оседаний – ТПМК проходит участок традиционно рименяемого грунтозакрепления участка промплощадки. Значения оседаний, зафиксированные маркшейдерскими наблюдениями, находятся в пределах точности измерений.
2. Зона наибольших оседаний располагается после выхода проходческого комплекса из зоны грунтозакрепления в слой слабых четвертичных отложений до границы с протерозойскими глинами. Зона характеризуется наибольшими оседаниями в шелыге свода и значительными вертикальными сдвижениями на поверхности.
3. Зона затухания оседаний, когда ТПМК входит в слои прочных глин, которые характеризуются высокими значениями деформационных и прочностных характеристик (значения модуля общей деформации этих слоев в десятки раз превышают соответствующие значения для четвертичных пород).
Схема разделения участков проходки представлена на рисунке 4.15. Анализ натурных маркшейдерских данных и накопленный опыт моделирования показывает, что участок №2, несмотря на относительное заглубление, характеризуется проявлением наибольших оседаний на поверхности. В рамках поставленной задачи было произведено исследование влияния закрепления грунта на данном участке методами пространственного геомеханического моделирования, рассмотренными в главе 3. Идея исследований заключается в анализе влияния закрепления грунта методом струйной цементации не только площадки вблизи устья тоннеля (участок 1), но и в глубине массива (участок 2), причем предлагается обеспечивать закрепление грунтов, не затрагивая приповерхностную зону. Такой подход позволит не только улучшить показатели механической работы массива вблизи тоннеля, но и обеспечит минимизацию влияния работ по струйной цементации на земную поверхность. «Защитная» приповерхностная толща позволит снизить проявление «пучения» на поверхности, зачастую сопровождающее данный вид работ. Модуль общей деформации указанного участка грунтозакрепления принят согласно данным испытаний на опытных участках и с учетом реальных физико-механических характеристик вмещающих тоннель горных пород. Общий вид рассматриваемых моделей показан на рисунке 4.16.
Анализ результатов проведенных расчетов показывает, насколько эффективным может быть применение дополнительного грунтозакрепления зоны
№2. На рисунке 4.17,а видно, что основная часть оседаний реализуется в пределах вышеописанной зоны. Как и следовало ожидать, в зоне дополнительного закрепления оседания существенно сокращаются, остаточная часть оседаний, как и в первом случае, расположена в зоне 3. Результаты расчетов показывают, что оседания на поверхности можно снизить в 2-3 раза по сравнению с исходным вариантом проходки (рисунок 4.17,б).
Распределение вертикальных сдвижений (оседаний) при проходке эскалаторного тоннеля станции метро «Спасская»: а) Без дополнительной зоны закрепления грунта б) С применением дополнительного грунтозакрепления четвертичных пород
Кроме изменения величины оседаний, следует отметить изменение характера распределения вертикальных сдвижений на поверхности. Максимумы оседаний здесь локализуются в районе вертикальных проекций границ зоны закрепления, что связано с относительной активацией сдвижений в районе этих границ (рисунок 4.18).
Мульда сдвижения при проходке эскалаторного тоннеля танции метро «Спасская»: а) Без дополнительной зоны закрепления грунта б) С применением дополнительного грунтозакрепления четвертичных пород
Основываясь на проведенных исследованиях с применением различных вариантов расчетных параметров моделей, можно сделать вывод об общей эффективности применения подобного дополнительного грунтозакрепления. Наиболее актуально использование данного подхода при строительстве эскалаторных тоннелей в районах с плотной застройкой, где недопустимо возникновение значительных неравномерных оседаний даже в первой трети длины эскалаторного тоннеля.
