Содержание к диссертации
Введение
1. Критический обзор способов строительства метрополитена мелкого заложения и крепления котлованов 12
1.1. Конструкции и способы производства работ при строительстве станций метрополитена мелкого заложения 12
1.2. Крепление котлованов при строительстве метрополитена мелкого заложения 21
1.3. Анализ опыта применения стержневой крепи 30
1.4. Анализ известных экспериментальных исследований стержневой крепи 33
1.5. Технико-экономическое обоснование применения стержневого крепления в метро - и тоннелестроении 46
Выводы по разделу 49
2. Исследование условий и особенностей строительства новосибирского метрополитена 51
2.1. Общие сведения 51
2.2. Инженерно-геологические условия строительства 52
2.3. Конструкции метрополитена и способы производства работ 57
Выводы по разделу 60
3. Экспериментальные исследования работы стержневой крепи котлованов на моделях 62
3.1. Общие положения 62
3.2. Методика проведения исследований 64
3.3. Построение модели и порядок проведения экспериментов 66
3.4. Результаты экспериментальных исследований на моделях 72
3.5. Анализ результатов исследований на моделях и установление эмпирических зависимостей 83
Выводы по разделу 92
4. Натурные исследования работы стержневой крепи котлованов 94
4.1. Организация опытного участка и разработка методики исследований 94
4.2. Исследование сцепления армирующих стержней с грунтом 98
4.3. Исследование устойчивости откоса котлована, закрепленного стержневой крепью 103
Выводы по разделу 109
5. Теоретическое обоснование рекомендаций по расчету стержневой крепи 111
5.1. Критический обзор существующих методов расчета стержневой крепи 111
5.2. Закономерности работы стержневой крепи по результатам моделирования и натурных исследований 128
5.3. Рекомендуемая методика расчета стержневой крепи котлованов 132
Выводы по разделу 142
Общие выводы 143
Литература 148
- Крепление котлованов при строительстве метрополитена мелкого заложения
- Инженерно-геологические условия строительства
- Построение модели и порядок проведения экспериментов
- Исследование устойчивости откоса котлована, закрепленного стержневой крепью
Крепление котлованов при строительстве метрополитена мелкого заложения
В устойчивых не обводненных грунтах при наличии достаточно свободной городской территории строительство подземных сооружений метрополитена возможно в котлованах с естественными откосами без специального крепления стен (рисунок 1.3,а). Котлованы с такими откосами в случае строительства станций метрополитена получаются больших размеров (ширина поверху достигает 50-60м, а строительная зона - 90-100м) и в условиях плотной городской застройки крупных городов их устройство бывает невозможным. В таких случаях котлованы разрабатывают с вертикальными стенами с ограждением их временной или постоянной крепью (рисунок 1.3,6). С целью уменьшения размеров котлованы иногда устраивают с разгружающими откосами с закреплением нижней части стен вертикальными сваями, а в неустойчивых грунтах - шпунтовым ограждением (рисунок 1.3,в). Возможно также крепить сваями или шпунтом только верхнюю часть стен котлована с устройством откосов в нижней части (рисунок 1.3,г).
В зависимости от размеров подземного сооружения, характера городской застройки, геологических и гидрогеологических условий используют различные системы временного крепления котлованов.
Так, в грунтах естественной влажности применяют свайную крепь из металлических, железобетонных или бетонных (буронабивных) свай, между которыми устанавливают затяжку из досок, железобетонных плит или наносят покрытие из набрызгбетона (рисунок 1.4).
В водонасыщенных грунтах, когда нельзя применять искусственное понижение грунтовых вод, устраивают сплошное шпунтовое ограждение, производят искусственное замораживание стен котлована или применяют способ «стена в грунте» [20].
Сваи из двутавровых балок № 40-60 забивают по контуру будущего котлована с шагом 0,5-1,5м, заглубляя их ниже отметки дна котлована на 3-5м. По мере разработки грунта стены между сваями закрепляют деревянной затяжкой, заводя ее за полки свай.
Если глубина котлована менее 3-4м, сваи могут работать консольно. При большей глубине требуется дополнительное раскрепление свай, что и делается при строительстве станций метрополитена, так как глубина котлована в этом случае достигает 10-12м и более. Дополнительное раскрепление свай достигается установкой продольного пояса-обвязки из двутавровых балок, в которые упирают поперечные распорки-расстрелы, устанавливаемые в зависимости от глубины котлована в один или несколько рядов по высоте стены.
Расстрелы выполняют из металла составного профиля (двух швеллеров, четырех уголков) или труб диаметром 300-600мм (рисунок 1.4, узел «А»).
Крепление котлованов с применением расстрелов обладает достаточной жесткостью, характеризуется четким конструктивным исполнением и четкостью статической работы всей системы крепи. Однако при ширине котлована более 15-20м расстрелы получаются громоздкими и тяжелыми - до 2-Зт и более. Поэтому в некоторых случаях требуется постановка диагональных связей в плоскости расстрелов (рисунок 1.5,6), забивка одного или нескольких промежуточных рядов свай (рисунок 1.5,а). Все это загромождает котлован и осложняет механизацию работ по выемке грунта и монтажу основных конструкций, приводит к удорожанию строительства и снижает его темпы.
В последнее время вместо расстрелов для удержания в проектном положении свай или шпунта используют анкерную крепь с применением так называемых грунтовых анкеров.
Грунтовые анкеры устраивают следующим образом. После разработки котлована до определенной отметки под заданным углом к горизонту в стены котлована забуривают скважины диаметром 200-300мм и глубиной 8-20 метров для обеспечения расположения замка анкера за пределами возможной призмы обрушения. В скважины помещают анкерные оттяжки, закрепляя их либо по всей длине, или только в донной части скважины, а также на продольных поясах. Устроенные таким образом анкеры обеспечивают устойчивость ограждения котлована.
Инженерно-геологические условия строительства
Река Обь разделяет г. Новосибирск на две части - правобережную и левобережную, каждая из которых имеет свои особенности рельефа. Правобережная часть расположена в пределах Приобского (степного) плато с относительной разницей высот 25,0-30,0 метров. Естественный рельеф по трассе метрополитена сильно изменен за счет инженерной деятельности человека, поскольку строительство метрополитена ведется на плотно застроенной, спланированной и благоустроенной территории. Левобережная часть города представляет собой восточную окраину Западно-Сибирской низменности. Рельеф этого участка более ровный, спокойный. Речная сеть развита слабо. Из-за ограниченности дренажа широкое развитие получили заболоченные участки. Территория г. Новосибирска в геоморфологическом отношении является частью Приобского степного плато, приуроченного к области погружения Колывань - Томской складчатой зоны под отложения Западно-Сибирской низменности. Морфология поверхности района обусловлена, в основном, эрозионным расчленением равнины, образованной водной аккумуляцией средне-верхне-четвертичной эпохи. В пределах правобережного Приобского плато можно выделить четыре морфологических элемента: высокие плоские водоразделы; слабо расчлененные, пологие склоны водоразделов; сильно расчлененные, крутые склоны водоразделов; долина р. Каменки и Ельцовки 1. КЛИМАТ в г. Новосибирске и Новосибирской области - резко континентальный, с жарким летом и холодной зимой. Амплитуда колебаний между крайними летними и зимними температурами достигает 88 С. Глубина сезонного промерзания грунтов колеблется от 0,6 до 2,4 м, в зависимости от высоты снежного покрова, горизонта грунтовых и подземных вод и других факторов. Общее среднее количество осадков за год составляет 514 мм, в том числе жидких - 370 мм. Суточный максимум осадков равен 95 мм.
Снежный покров сохраняется в среднем 161 день в году, с колебанием от 148 до 184 дней. Ветровой режим района характеризуется преобладанием юго-западных и западных направлений ветра с частыми переходами в летний период в северные румбы. Резкая континентальность климата во многом определяет интенсивность выветривания горных пород. Согласно климатическому районированию территория Новосибирска относится к подрайону 1В, характеризующемуся суровой и длительной зимой, обуславливающей максимальную теплоотдачу зданий и сооружений; большими объемами снегопереноса; сильными ветрами, требующими защиты зданий и сооружений от продувания; коротким световым днем; большой продолжительностью отопительного периода; низкими средними температурами воздуха наиболее холодных пятидневок и однодневок. В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ отношении район г. Новосибирска приурочен к Колывань - Томской складчатой зоне и так называемой, области линейной складчатости. Наиболее древними породами этой области являются отложения верхнедевонского периода, представленные мощной толщей осадочных пород инской серии, прорванных на ряде участков гранитными интрузиями. В районе строительства отмечаются грунты четвертичного и девонского комплексов. Среди четвертичных отложений преобладают лессовые супеси и суглинки полутвердой и твердой консистенции эолово-делювиального генезиса. Аллювиальные отложения, представленные песками и супесями, встречаются на отдельных участках и имеют небольшую мощность. Антропогенные насыпные грунты залегают как на водоразделах, так и в долинах рек и оврагов, где мощность их резко возрастает. В пределах описываемой полосы трассы метрополитена антропогенные отложения встречаются повсеместно, что связано со строительством города и его благоустройством. Наиболее часто встречающиеся отложения представлены различного рода насыпными грунтами. Мощность слоя отложений варьируется в очень широких пределах: от нескольких десятков сантиметров до 1,2...1,5 м. Значительное распространение имеют насыпные грунты, образование которых вызвано интенсивным строительством. Обычно они представлены суглинками и супесями с обломками кирпича, бетона, металлических конструкций, кусками древесины и т.п. Возраст этих отложений от 5 до 20 лет. Мощность слоя также изменяется в пределах от десятков сантиметров до 2,0...3,0 м. Широко распространены насыпные грунты, образовавшиеся в результате инженерной подготовки территории и строительства дорог. Представлены они обычно песками различной зернистости с гравием, галькой, местами щебнем. Мощность слоя обычно от 0,4 до 1,2 м. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ описываемого района обычно приурочены к различным стратиграфическим горизонтам и имеют свои особенности, обусловленные как литологическим, так и химическим составом грунтов, слагающих те или иные горизонты.
Построение модели и порядок проведения экспериментов
Трасса Новосибирского метрополитена проложена в четвертичных отложениях, слагаемых, как правило, лессовыми грунтами - в основном, песчаными, супесчаными и суглинистыми грунтами различной влажности и консистенции (от пластичной до твердой). Основные физико-механические показатели данных грунтов колеблются в довольно узких пределах: так, например, у (удельный вес) 15,3...19,2 кН/м3; ср (угол внутреннего трения) 23...38; Е (модуль общей деформации) 40... 190 МПа; С (удельное сцепление) 0,03...0,45 МПа.
В связи с этим была принята однослойная модель, представляющая обобщенный инженерно-геологический разрез по трассе метрополитена. Состав материала грунтового массива подбирался и контролировался в соответствии со специально разработанной методикой подбора.
В качестве возможной для применения рассматривалась и испытывалась смесь мелкозернистого песка с фактисом (продукт соединения серы с льняным маслом).
Было проведено несколько серий испытаний данной смеси при различном соотношении песка и фактиса. Испытания проводились компрессионным способом по стандартной методике. В результате получена искомая смесь мелкозернистого песка с 1,5% содержанием фактиса (по весу) для масштаба 1:30 и 1,0% содержанием фактиса для масштаба 1:10, которая применялась в дальнейшем при построении модели грунтового массива.
Стальные армирующие стержни моделировались отрезками проволоки диаметром 3 мм для экспериментов в масштабе 1:10 и диаметром I мм (в натуре - 30 мм) для экспериментов в масштабе 1:30.
При построении модели откоса котлована, закрепленного стержневой крепью, необходимо было соблюдать технологическую поэтапность его возведения, соответственно натуре. В связи с этим возникли определенные трудности, связанные в основном с отсутствием сцепления в подобранной смеси и, как следствие этого, неспособностью удерживать вертикальный откос даже малой высоты (менее I см).
Поэтому изготовление моделей в экспериментах первого и четвертого этапов для полной имитации технологии крепления производилось следующим образом. Сначала осуществлялась выемка первого слоя смеси, имитирующей грунтовый массив. Затем, для обеспечения устойчивости откоса котлована на время устройства стержневого крепления, смесь смачивалась раствором бензина.
В образованный таким образом откос котлована высотой 100 мм (1,0 м в натуре) вводились армирующие стержни из проволоки диаметром 3 мм (30 мм в натуре с шагом 100x100 мм (1,0x1,0м в натуре). Длина стержней принималась равной 0,6 м (0,6Н, где Н - глубина котлована). Для защиты котлована от местных осыпаний грунта после испарения бензина на откос наносился слой нитролака в несколько приемов. В такой последовательности котлован разрабатывался и закреплялся на глубину одного метра (10 м в натуре) (рисунок 3.2 и 3.3).
Исследования, проведенные на втором и третьем этапах, были направлены на изучение параметров стержневого крепления, влияющих на характер работы грунтового массива. Вследствие того, что исследование проводилось на полностью сформированном откосе котлована определенной глубины, появилась возможность перейти к более простой технологии построения модели. Модель в этом случае выполнялась снизу вверх путем послойной отсыпки смеси и установки между слоями армирующих стержней, так как специальные опыты подтвердили возможность такой технологии. Для предотвращения осыпания откос защищался пластинами из оргстекла толщиной 0,3 мм и высотой, соответствующей шагу армирующих стержней по вертикали (рисунок 3.4).
Исследование устойчивости откоса котлована, закрепленного стержневой крепью
На третьем этапе исследований производились наблюдения за устойчивостью откосов котлованов, закрепленных стержневой крепью. При этом технология работ крепления откосов котлована выглядела следующим образом: 1. Забивка в откос армирующих стержней машиной ПУМ-3. 2. Навешивание сетки. 3. Нанесение защитного слоя набрызгбетона и установка реперов. В процессе отработки технологии забивки стержней, навешивания сетки и нанесения набрызгбетона намечалось несколько вариантов этих операций, в частности, нанесение набрызгбетона до установки стержней и наоборот. Как показал опыт, забивка стержней до нанесения набрызгбетона является более целесообразной потому, что при обратной последовательности операций происходит частичное разрушение набрызгбетона вокруг стержня, приводящее к дополнительным затратам при омоноличивании поврежденных участков. Нанесение набрызгбетона до забивки стержней можно рекомендовать только в неустойчивых грунтах для предотвращения их сползания при забивке или при применении других механизмов для забивки стержней, которые не разрушают покрытие из набрызгбетона, например, устанавливать стержни в заранее пробуренные скважины. Во время проведения работ фиксировалось время и трудозатраты на каждую операцию. Результаты наблюдений сведены в таблицу 4.4. Для измерения смещений откос оснащался системой реперов. Реперы по вертикали размещались в три ряда по четыре репера в ряду, а по горизонтальной площадке, примыкающей к откосу, - в два ряда с расстоянием между реперами в 2 м. При этом по реперам вертикального откоса измерялась горизонтальная составляющая перемещений, а по реперам горизонтальной площадки - вертикальная и горизонтальная составляющие. Дополнительно к измерениям с помощью реперов определялась также горизонтальная составляющая перемещений концов самих армирующих стержней.
Реперы изготавливались из стальных стержней диаметром 30 мм и длиной 500 мм. Торец репера фрезеровался, после чего на него наносились крестообразные насечки. Для защиты репера от коррозии он покрывался нитроэмалью. Конструкция репера показана на рисунке 4.4. Надежность заделки репера в грунте достигалась установкой его в скважине на цементном растворе (рисунок 4.5). Измерения вертикальных и горизонтальных смещений репера производились теодолитом. Кроме вышеперечисленных измерений, осуществлялись и визуальные наблюдения. При этом осмотр крепи производился в течение первых двух недель после ее установки ежедневно, в последующие два месяца -еженедельно, далее - ежедекадно. Кроме того, дополнительные осмотры производились после сильных дождей и при резком (более 15 С в сутки) снижении отрицательных температур. При визуальных осмотрах фиксировались отслоения и наличие трещин в покрытии из набрызгбетона, их длина, место расположения, величина раскрытия и другие нарушения. Наблюдения за устойчивостью откоса, закрепленного стержневой крепью, проходили в течение 9 месяцев, с октября по июнь, для того, чтобы оценить характер влияния сурового климата на крепь. Одновременно производились измерения смещений по установленным реперам. За это время была зафиксирована только одна трещина в набрызгбетонном покрытии. Трещина появилась через три недели после нанесения набрызгбетона. Она располагалась вертикально в верхней части откоса и имела длину 850 мм и раскрытие в 1,5 мм. Наблюдения за трещиной показали, что дальнейшего раскрытия ее не произошло. Это дает основание считать, что появление трещины не является результатом смещений откоса а, скорее всего, следствием усадочных явлений набрызгбетона. Измерения в течение всего времени наблюдений показали, что закрепленный откос не имел ни горизонтальных, ни вертикальных смещений грунтового массива. Кроме того, закрепленный откос нагружался временной нагрузкой. В качестве нагрузки использовался гусеничный кран РДК-20 с интенсивностью давления на грунт 100 кПа. После установки крана на откосе производилось измерение смещений, которое показало, что при такой нагрузке деформаций откоса не происходило. Установить нагрузку более высокого порядка не представилось возможным. Однако даже такая нагрузка свидетельствует о высокой устойчивости и надежности стержневой крепи, потому что давление более ЮОкПа дает только козловой кран ККТС-20. Все остальные машины и механизмы, а также материалы, которые складируются на бортах котлованов при строительстве станций метрополитена, дают давление на грунт не более 50.. .60 кПа.
