Введение к работе
Актуальность работы.
Метрополитены относятся к числу уникальных транспортных сооружений с высоким уровнем ответственности, расчетный срок эксплуатации которых превышает 100 лет. В системе общественного транспорта города ГУП «Петербургский метрополитен» выполняет перевозку более 30 % общего пассажиропотока, что составляет в среднем 2,27 млн. человек в день.
Нарушение нормальных условий функционирования перегонных тоннелей метрополитена Санкт-Петербурга приводит к большим материальным и социальным потерям, что заставляет предъявлять особые требования к надежности и безопасности их несущих конструкций (обделок) и гидроизоляции, которые эксплуатируются в сложных инженерно-геологических условиях, при нестабильном гидродинамическом режиме напорных водоносных систем, проявлении газогенерации и коррозионной активности компонентов подземной среды по отношению к конструкционным материалам.
Изучением влияния инженерно-геологических и гидрогеологиче
ских условий при проектировании и строительстве перегонных тонне
лей Петербургского метрополитена в разные периоды занимались
В.Д. Ломтадзе, главные геологи института «Ленметропроект» (позднее
ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс») - Е.Б. Дмитриева,
Р.Н. Левашова, Р.Н. Кремнева, С.Я. Нагорный (по настоящее время) и
др. В развитие расчетных методов устойчивости тоннелей в условиях
подземного пространства Санкт-Петербурга большой вклад внесли ра
боты Ю.А. Лиманова, Ю.С. Фролова, ДМ. Голицынского,
А.П. Ледяева, Н.С. Булычева, А.Г Протосени и др.
Как показывает опыт функционирования Петербургского метрополитена, значительные затраты на поддержание перегонных тоннелей в рабочем состоянии связаны с недоучетом в практике проектирования, строительства и эксплуатации таких сооружений ряда специфических инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических факторов, которые во многом определяют длительную устойчивость, прочность и водонепроницаемость тоннельных конструкций.
Цель работы. Повышение эксплуатационной надежности перегонных тоннелей при воздействии особенностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий, в том числе газодинамических явлений и коррозионной активности подземной среды различ-
ной природы по отношению к конструкционным материалам обделок и гидроизоляции.
Основные задачи исследований: 1) анализ теоретических и
практических положений обеспечения эксплуатационной надежности
перегонных тоннелей при воздействии природных и техногенных фак
торов; 2) влияние инженерно-геологических, гидро- и газодинамиче
ских условий на характер развития вертикальных перемещений тонне
лей во времени; 3) изучение особенностей разрушения конструкцион
ных материалов обделок и гидроизоляции перегонных тоннелей под
воздействием подземных вод, изменения напряженно-
деформированного состояния вмещающей толщи и коррозии различной природы; 4) зонирование трасс тоннелей в зависимости от инженерно-геологических, гидро- и газодинамических условий, определяющих особенности вертикальных перемещений и разрушения конструкций сооружения; 5) разработка рекомендаций по выбору и использованию специальных бактерицидных составов для проведения ремонтных работ обделок тоннелей и их гидроизоляции.
Фактический материал и личный вклад автора. Настоящая работа подготовлена по материалам комплексных работ, проведенных в СПГГИ (ТУ) на кафедрах строительства горных предприятий и подземных сооружений (СГП и ПС) и гидрогеологии и инженерной геологии (Г и ИГ), в которых автор принимал участие, начиная с 2006 года. Личный вклад автора: развитие научно-практических положений обеспечения эксплуатационной надежности перегонных тоннелей с учетом изменчивости инженерно-геологических и гидрогеологических условий по длине трассы и во времени; результаты обследования перегонных тоннелей Петербургского метрополитена с отбором проб разрушенных конструкционных материалов и натечных форм на элементах конструкции обделки, а также фиксацией количества и особенностей проявления течей; проведение экспериментальных исследований для изучения влияния подземных вод различного состава и минерализации на изменение физико-механических свойств верхнекотлинских глин верхнего венда южной части города как среды размещения перегонных тоннелей; оценка особенностей разрушения гидроизоляционных и конструкционных материалов (бетона, железобетона, чугуна) под воздействием подземных вод и микробной деятельности; разработка рекомендаций по обоснованию оптимальных методов защиты подземных транспортных сооружений, в том числе выбор наиболее эффективных составов бакте-
рицидных препаратов для создания конструкционных и гидроизоляционных материалов, устойчивых к биокоррозии в подземном пространстве Санкт-Петербурга.
Основные методы исследований: теоретический анализ влияния специфики инженерно-геологической, гидродинамической и гидрохимической, а также газодинамической обстановок на условия эксплуатации перегонных тоннелей; экспериментальные методы, используемые в инженерной геологии, гидрогеологии и микробиологии; применение компьютерных технологий для обработки результатов исследований.
Научная новизна.
Установлены закономерности развития перемещений перегонных тоннелей на основе анализа изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий с учетом газодинамических явлений по обследованным трассам и выполнено их зонирование.
На базе экспериментальных исследований определена природа коррозионных процессов конструкционных материалов тоннелей, что позволяет реализовать дифференцированный подход к обоснованию способов защиты тоннельных конструкций от агрессивного действия вмещающей среды для повышения их эксплуатационной надежности.
Защищаемые положения.
Эксплуатационная надежность перегонных тоннелей должна рассматриваться на основе комплексного анализа и оценки особенностей инженерно-геологических, гидродинамических, гидрогеохимических и биохимических условий, определяющих деформации и специфику коррозии конструкционных материалов.
Основная вмещающая среда исследуемых перегонных тоннелей - трещиноватые коренные глины верхнего венда и нижнего кембрия, имеют различную деформационную устойчивость и прочность, а также водопроницаемость, предопределяющую возможность восходящего перетекания минерализованных хлоридных натриевых вод высоконапорного вендского водоносного комплекса, миграцию природных газов и их активное взаимодействие с обделкой тоннелей и блоками глинистых пород.
Динамику перемещений и характер разрушения конструкционных материалов перегонных тоннелей следует рассматривать с учетом преобразования напряженно-деформированного состояния вмещающей толщи за счет изменения гидродинамического режима водоносных систем в условиях постоянного воздействия компонентов загрязненных и
минерализованных вод, а также влияния газовых флюидов биохимического генезиса.
4. Зонирование трасс перегонных тоннелей, выполненное на базе анализа изменения инженерно-геологических, гидрогеохимических и геоэкологических условий, в том числе специфики развития перемещений тоннелей и характера разрушения их обделки, должно служить основой для дифференцированного подхода к проведению профилактических и/или капитальных ремонтных работ, обеспечивающих работоспособность и длительное функционирование транспортной системы.
Практическая значимость.
Разработана методика обследования и оценки состояния конструкций перегонных тоннелей, позволяющая на базе визуальных и экспериментальных исследований проводить систематизацию наблюдаемых разрушений для выявления природы коррозионных процессов.
Предложены принципы зонирования трасс перегонных тоннелей в зависимости от характера их вертикальных перемещений, определяемых особенностями инженерно-геологических условий, гидродинамической и газодинамической обстановок.
Экспериментально установлена необходимость использования биоустойчивых материалов при проведении ремонтных работ в эксплуатируемых перегонных тоннелях.
Разработки по обеспечению эксплуатационной надежности перегонных тоннелей могут быть использованы Службой тоннельных сооружений ГУП «Петербургский метрополитен», ОАО НИПИИ «Лен-метрогипротранс», ОАО «Метрострой» и другими научно-исследовательскими и проектными организациями.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, определяется большим объемом теоретических обобщений, полевых обследований и выполненных экспериментальных работ, в том числе по изучению характера и интенсивности разрушения конструкционных материалов (бетона, железобетона, чугуна и др.). В основу диссертации положены результаты исследований, которые проводились в рамках хоздоговорных работ «Обследование перегонных тоннелей и контроль напряженно-деформированного состояния обделок различного типа на участках «Обухово - Рыбацкое» (2006 г.) и «Елизаровская - Ломоносовская» (2007 г., при участии автора), а также при поддержке персональных грантов Правительства
Санкт-Петербурга в 2007 г., СПГГИ (ТУ) и американского фонда гражданских исследований и разработок (CRDF) для аспирантов в 2009 г.
Апробация работы и публикации. Основные положения, изложенные в диссертации, освещались на следующих научных конференциях: Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (БелГУ, Белгород, 2007 г.); годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Десятые Сергеевские чтения. Международный год планеты земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» (ИГЭ РАН, Москва, 2008 г.); Международный форум-конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2009 г.; диплом за I место), Международная конференция «Геология крупных городов» (Санкт-Петербург, 2009 г.). По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, входящем в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 262 машинописных страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 149 наименований, содержит 36 рисунков, 27 таблиц, 21 фотографию.
