Строительство тоннелей

Односводчатую станцию Римского метрополитена «Убальди» длиной 120 м, пролетом 21,5 м и высотой 16 м сооружали по технологии НАТМ с проходкой вначале боковых штолен, в которых возводили стены станции, а затем калоттного профиля. Схема сооружения станции показана на рис. 24.

Рис. 24 Схема сооружения станции «Убальди» Римского метрополитена: 1 - стальные арки; 2 - фибергласовые нагели; 3 - сборная железобетонная обделка; 4 -опережающая бетонная крепь; 5 - уровень головки рельсов; 6 - стены тоннеля

После раскрытия калоттного профиля устраивали ОБК путем нарезания контурной щели глубиной 3,5 м и высотой 0,2 м и заполнения ее фибробетоном. Под защитой ОБК возводили обделку свода станции из железобетонных блоков с последующим обжатием в грунт замковым элементом с усилием 3000 кН. За восемь месяцев было возведено 45 секций ОБК и смонтированы 134 секции сборной обделки. В последнюю очередь раскрывали штроссу и бетонировали обратный свод.

В Японии разработана новая технология устройства ОБК в виде серии жестких арочных оболочек, образующих непрерывную первичную крепь, под прикрытием которой разрабатывают грунт и возводят вторичную крепь - обделку [46]. Технологическая схема устройства такой крепи представлена на рис. 25.

Рис. 25 Технологическая схема устройства опережающей бетонной крепи в виде жестких арочных оболочек: 1- забой тоннеля; 2 - арочная бетонная крепь; 3 - привод рабочего органа щеленарезной машины; 4 - тоннельный экскаватор; 5 - автобетоносмеситель; 6 - автобетононасос;7 - щеленарезная машина

По сравнению с плоской арочная крепь характеризуется более высокой жесткостью и несущей способностью за счет проявления арочного эффекта не только в поперечном, но и в продольном направлении. Таким образом достигается стабилизация забоя тоннельной выработки, предотвращаются осадки породного массива и сводятся к минимуму нарушения близлежащих зданий и сооружений.

Для устройства криволинейных в продольном направлении прорезей в породном массиве созданы автоматизированный щеленарезной агрегат PLS с баровым рабочим органом дугового типа, перемещающимся по направляющей арке, и бетоноукладочное оборудование. Радиус кривизны направляющей дуги составляет 6,5 м, глубина нарезаемой щели - 3,8 м, высота -0,4 м.

Новая технология была апробирована при строительстве участка двухполосного автодорожного тоннеля в городском районе на глубине до 11 м от поверхности земли. Трасса тоннеля пересекает трубопроводы и автомобильные дороги. Тоннель сводчатого очертания пролетом 13,01 м и высотой 8,67 м проходит частично в слабоустойчивых несвязных грунтах, а частично в аргиллитах. Допустимые осадки поверхности земли составляют 20 мм.

Устройство опережающей крепи вели со скоростью 3 м/сут. При появлении в забое слабоустойчивых грунтов выполняли набрызг-бетонирование лба забоя, устанавливали опережающие фибергласовые анкеры и выполняли струйную цементацию с поверхности земли. В процессе строительства тоннеля осуществляли мониторинг деформаций ОБК и осадок поверхности земли. На участках тоннеля с глубиной заложения менее 11 м вертикальные смещения крепи не превышали 9 мм, а осадки поверхности земли - 19мм в слабых грунтах и 6 мм в аргиллитах.

Опыт применения новой технологии устройства ОБК показал ее высокую эффективность и целесообразность распространения па другие объекты в сложных градостроительных и инженерно-геологических условиях. В качестве примера можно привести автодорожный тоннель Ходогайя, проходящий на глубине 2 - 17 м от поверхности земли в сложных инженерно-геологических условиях [47]. Проходку вели под защитой ОБК способом сплошного забоя. По контуру выработки щеленарезной машиной PLS создавали щель длиной 2,8 м и высотой 0,4 м; на длине 2,1 м щель заполняли бетонной смесью.

Благодаря применению ОБК повышенной жесткости удалось ограничить осадки поверхности земли над строящимся тоннелем до 8 - 18 мм и избежать повреждений наземных зданий и сооружений.

Забойная крепь из армирующих фибергласовых элементов

За последние 15 лет в Италии была разработана и внедрена новая эффективная технология закрепления неустойчивого грунтового массива перед забоем тоннеля с использованием армирующих фибергласовых элементов [48]. Сущность ее заключается в том, что из забоя строящегося тоннеля равномерно по всей его площади забуривают систему горизонтальных и слабо наклонных скважин, в которые помещают фибергласовые элементы различной конструкции и инъецируют стабилизирующий состав (чаще всего цементный раствор) (рис. 26).

Рис. 26 Технологическая схема закрепления грунтового массива фибергласовыми элементами; 1 - тоннель; 2- буровой агрегат; 3 - фибергласовые армирующие элементы; S - глубина заходки; L - длина зоны армирования

Длина зоны армирования составляет15 - 18 м и более, превышая глубину заходки (1,0 - 1,5) D, где D - диаметр тоннеля. Лбу забоя придают вогнутую форму для реализации арочного эффекта. Через закрепленный таким образом грунтовый массив ведут проходку тоннеля способом сплошного забоя, срезая фибергласовые элементы рабочим органом тоннелепроходческой машины. Из вновь образованного забоя забуривают следующую серию скважин и устанавливают армирующие элементы, обеспечивая перекрытие ранее установленных элементов на 5 - 6 м.

Такая технология используется в связных и малосвязных слабоустойчивых и неустойчивых грунтах естественной влажности с небольшим количеством каменистых включений, что позволяет обеспечить заданное направление скважин. Основным достоинством данной технологии является возможность вести проходку тоннеля практически в любых грунтах способом сплошного забоя с применением высокопроизводительного тоннелепроходческого оборудования.

В зависимости от типа пересекаемого грунта и степени его устойчивости армирование зоны перед забоем тоннеля выполняют без дополнительного крепления или в сочетании с опережающей крепью по контуру выработки. Для усиления забойной зоны применяют опережающую бетонную крепь, выполненную в нарезанной по контуру выработки прорези. Возможно устройство опережающей контурной крепи в виде экрана из труб, из грунта, закрепленного струйной цементацией или из тех же фибергласовых элементов с инъецированием в них стабилизирующего состава.

В настоящее время в практике тоннелестроения применяют различные профили армирующих фибергласовых элементов: гладкие и гофрированные трубчатые, Y-образные и плоские, закрепленные на специальных кондукторах и объединенные с трубками для инъецирования и отвода воздуха (рис. 27).

Основные параметры трубчатых элементов составляют: диаметр 40 - 60 мм, толщина стенки 10 мм, длина15 - 25 м, плотность распределения по плоскости забоя 0,35 - 0,50 ед./м², перекрытие элементов соседних заходок 5 - 6 м.

Эффективность технологии подтверждается успешным опытом проектирования и строительства многочисленных тоннелей в Италии, Франции, а также базисных Альпийских тоннелей. С 1985 г. В Италии на железнодорожной линии Флоренция - Ареззо было пройдено более 11 км тоннелей. Проходка велась в сложных инженерно-геологических условиях и продемонстрировала надежность фибергласовых элементов и устойчивость армированного грунтового массива.

В 1988 г. были построены шесть тоннелей на скоростной железнодорожной линии Рим - Флоренция. Тоннели условным диаметром 7 и 13 м и длиной от 0,7 до 2,7 км заложены в супесчаных и илистых грунтах на глубине 50 - 90 м от поверхности земли. В четырех тоннелях ограничились армированием зоны перед забоем фибергласовыми трубчатыми элементами длиной 15 м, а в двух тоннелях эту крепь применяли в сочетании с опережающей бетонной крепью.

Рис. 27 Конструкция армирующих фибергласовых элементов: а - поперечные сечения; б - продольный разрез; 1 - трубчатый элемент; 2 - Y-образный элемент; 3 -трубка для инъецирования; 4 - плоский элемент; 5 - кондуктор; 6 - пробка из расширяющегося пластического материала; 7 - трубка для отвода воздуха; 8 -скважина; 9 - фибергласовая трубка

В тоннелях диаметром 7 м устанавливали по 25 элементов, а диаметром 13 м - по 50 - 60 элементов на заходку. При этом плотность распределения армирующих элементов составляла соответственно 0,35 и 0,43 - 0,51 ед./м². Средняя скорость проходки способом сплошного забоя составляла 50 м/мес.

В 1991 г. был введен в эксплуатацию железнодорожный тоннель Сан Витали на линии Гасерта - Фоджия. Тоннель длиной 2,5 км и диаметром 12,7 м заложен в глинистых грунтах на глубине100 м от поверхности земли. При проходке тоннеля сплошным забоем использовали опережающую крепь из фибергласовых элементов по контуру выработки и фибергласовые элементы трубчатого профиля длиной 18 м в забое. На одну заходку приходилось 50 элементов с плотностью распределения 0,41 ед./м².

Пятикилометровый тоннель Васто был построен в 1993 г. на железнодорожной линии Анкона - Бари. Проходку вели сплошным забоем в илистых глинах с песчаными линзами на глубине от 8 до135 м от поверхности земли, используя опережающую крепь из грунта, стабилизированного струйной цементацией. Трубчатые фибергласовые элементы длиной 18 м в количестве 55 шт. на одну за ходку располагались с плотностью 0,45ед./м².

С применением плоских армирующих фибергласовых элементов длиной 25 м был пройден 120-метровыйстанционный тоннель Римского метрополитена в 1997 г. Работы вели в глинах и песчаных илах на сравнительно небольшой глубине (22 м) от поверхности. Раскрытие выработки осуществляли с предварительной проходкой боковых и верхней штолен. Было установлено 47 армирующих элементов с плотностью 0,37 ед./м².Наряду с креплением грунтового массива перед забоем тоннеля применяли опережающую бетонную крепь. Строительные работы были завершены за 18 месяцев. Осадки поверхности земли зафиксированы не были.

В настоящее время в Италии ведется строительство шести тоннелей общей протяженностью 12 км и трех соединительных камер на железнодорожной линии Генуя - Волтри [49]. Тоннели заложены на глубине до 220 м от поверхности земли в слабоустойчивых полускальных грунтах, представленных серпентиновыми сланцами.

При проходке тоннелей и раскрытии крупнопролетных камер сечением 160,0 - 338,5 м² широко использовали армирующие фибергласовые элементы длиной 15 м в сочетании с радиальными анкерами типа «Суперсвеллекс» фирмы «Атлас Копко» длиной 6 м и несущей способностью 200 кН, преднапряженными прядевыми анкерами длиной 18 м и несущей способностью 750 кН, а также экранами из труб.

В 1998 г. Завершено строительство железнодорожного тоннеля на скоростной линии TGV Марсель - Лион во Франции [48]. Девятисотметровый тоннель условным диаметром 15 м заложен на глубине 100 м в толще консолидированных глин. Для стабилизации грунтового массива перед забоем тоннеля использовали плоские фибергласовые элементы длиной 24 м. На каждую заходку приходилось 90 элементов; плотность распределения - 0,5 ед./м²,скорость проходки - 1,5 м/сут.

Для установления оптимальных параметров армирующих элементов, работающих совместно с окружающим грунтовым массивом, в Италии проводятся теоретические исследования и расчеты с использованием метода конечных элементов, на основе которого разработаны плоские и пространственные модели. В процессе строительства тоннелей выполняют мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтового массива и армирующих элементов, измеряют осадки поверхности земли и конвергенцию контура выработки. По результатам теоретических и экспериментальных исследований устанавливают закономерности взаимодействия армирующих элементов с грунтовым массивом и корректируют основные конструктивно-технологические параметры.

В настоящее время применение армирующих фибергласовых элементов предусмотрено на строительстве крупнейших базисных Альпийских тоннелей: Сен-Готард длиной 57 км, Летчберг длиной 36 км и Зиммерберг длиной 21 км [50, 51].Так, при проходке Летчбергского тоннеля в сжимаемых грунтах было принято решение вести работы сплошным забоем с закреплением массива фибергласовыми трубами длиной 13 - 15 м. Перекрытие элементов составило 3 - 4 м. В тоннеле устанавливают стальную арочную крепь и скальные анкеры.

Применение опережающей крепи из фибергласовых элементов позволяет:

- вести проходку крупнопролетных выработок способом сплошного забоя в слабоустойчивых и неустойчивых грунтах с применением однотипного высокопроизводительного оборудования, обеспечивая безопасность и высокие темпы работ;

- использовать рассматриваемый метод в широком диапазоне инженерно-геологических условий путем варьирования параметрами армирующих элементов (формой поперечного сечения, длиной, перекрытием соседних заходок, плотностью на 1 м² площади забоя) и выполняя систематический мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтового массива;

- свести к минимуму сдвижения и деформации грунтового массива и поверхности земли в процессе проходки тоннеля за счет стабилизации грунтового массива в предзабойной зоне;

- применять фибергласовые армирующие элементы в сочетании с опережающей крепью из анкеров, экранов из труб, бетонных сводов, грунта, закрепленного струйной цементацией. В настоящее время рядом компаний (H.Weidmann, Durglass FL и др.) разработаны новые высокопрочные сплошные и трубчатые армирующие элементы различной формы из синтетических материалов на основе стекловолокна, обеспечивающие упрочнение грунтов инъецированием и легко разрушающиеся при проходке [52].

Дополнительные затраты на изготовление и установку армирующих элементов окупаются вышеуказанными достоинствами технологии, которую целесообразно использовать в нашей стране при строительстве транспортных тоннелей, метрополитенов и других подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.



3.4 Применение компенсационного нагнетания стабилизирующих составов

Строительство городских тоннелей закрытым способом вызывает осадки грунтового массива в окрестности подземной выработки, а в ряде случаев и поверхности земли, что влечет за собой повреждения фундаментов расположенных поблизости зданий, инженерных коммуникаций, дорожного покрытия и т.д. [53].

Осадки грунтового массива и поверхности земли при щитовой проходке обусловлены, главным образом, выпусками грунта в забое щита, несвоевременным или некачественным заполнением строительного зазора, деформациями оболочки щита и тоннельной обделки. Основными причинами осадок при проходке тоннелей горным способом являются переборы грунта в забое, отставание временной крепи от забоя, недостаточная ее жесткость, а также несвоевременное возведение постоянной обделки.

В практике городского подземного строительства применяют различные планировочные, конструктивно-технологические и защитные меры по минимизации осадок поверхности земли и сохранности здании и сооружений. Имеется в виду использование рациональных конструкций обжатых в грунт обделок, механизированных щитов с призабойными прнгрузочными камерами, уплотнителей строительного зазора, анкерной и набрызгбетонной временной крепи, а также усиление конструкций зданий и их фундаментов, устройство защитных экранов, физико-химическое закрепление грунта под фундаментами и т.д. Все это приводит к существенному удлинению сроков и повышению стоимости строительства.

В последние годы для стабилизации грунтового массива в зоне влияния строящегося тоннеля получает распространение метод компенсационного нагнетания строительного раствора в определенные области грунтового массива между фундаментами зданий и тоннельной выработкой.

В большинстве случаев до начала основных работ по компенсационному нагнетанию выполняют так называемую преконсолидацию грунтового массива для его предварительного подкрепления и создания своеобразного «строительного подъема» с целью последующей компенсации перемещений грунта. Эффект ограничения осадок за счет нагнетания раствора в грунт виден на рис. 28.

Рис. 28 Эффект ограничения осадок поверхности земли за счет нагнетания раствора в грунт: 1 - застройка;2 - зона нагнетания; 3 - тоннель; 4 - прогнозируемые осадки поверхности земли; 5- ожидаемый «строительный подъем»; 6 - окончательные осадки поверхности земли

Таким образом, значительно уменьшаются потери грунта вследствие возможных выпусков в забое и предотвращается разуплотнение грунтовой толщи, а следовательно, сводятся к минимуму осадки грунтового массива и поверхности земли. Об эффективности рассматриваемого метода свидетельствует успешный опыт его применения в Великобритании, Австрии, Германии, Португалии, США и Канаде [54].

Компенсационное нагнетание применяют при проходке тоннелей закрытыми способами практически в любых нескальных грунтах естественной влажности, за исключением неустойчивых и закарстованных. Использование рассматриваемого метода наиболее целесообразно на участках тоннелей под фундаментами зданий, дорогами, другими подземными сооружениями и коммуникациями, повреждения которых недопустимы.

Основное отличие компенсационного нагнетания от других специальных способов стабилизации грунтового массива (цементации, химического закрепления, замораживания)заключается в том, что зона нагнетания ограничена сравнительно тонким слоем грунтового массива, выполняющим роль своеобразного домкрата, обжимающего вышележащую толщу [54].

Зона нагнетания может размещаться в непосредственной близости от поверхности земли (фундаментов зданий) или примыкать к подземному сооружению. Это зависит от инженерно-геологических условий, характера распределения и интенсивности внешних нагрузок, напряжений в подошве фундаментов и ряда технологических факторов (наличия пригруза в забое щита, скорости проходки, системы нагнетания за обделку и др.).

В качестве стабилизирующих грунт составов используют цементно-песчаный или цементно-бентонитовый раствор с добавками, регулирующими вязкость, сроки схватывания и твердения и т.д. Объем и давление нагнетания определяются соответствующими расчетами и корректируются в зависимости от поведения грунтового массива и наземных сооружений и зданий.

В настоящее время для определения параметров компенсационного нагнетания широко используют численные методы расчета, в основном метод конечных элементов, а также опытные работы в натурных условиях. На всех этапах строительства тоннеля и в процессе компенсационного нагнетания осуществляется геотехнический мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтового массива, тоннельной обделки, фундаментов зданий и сооружений. Для этого используют автоматизированные следящие системы, включающие электронную контрольно-измерительную аппаратуру и современную компьютерную технику [55].

Работы по компенсационному нагнетанию производят либо с поверхности земли, либо из существующих или вновь устраиваемых подземных выработок (шахтных стволов, камер, котлованов), забуривая вертикальные, горизонтальные или наклонные скважины, либо погружая в грунт специальные и иъекторы. Схема компенсационного нагнетания с поверхности земли и из шахтного ствола приведена на рис. 29.

Рис. 29 Схема компенсационного нагнетания с поверхности земли (а) и из шахтного ствола (б): 1 - застройка;2 - скважины для нагнетания; 3 -зона нагнетания; 4 - станция метрополитена;5 - тоннель; 6 - шахтный ствол

Разработаны и применяются различные технологические схемы компенсационного нагнетания, предназначенные для разных грунтов [54].Так, в несвязных грунтах с низкой степенью проницаемости используют уплотняющее нагнетание жесткого строительного раствора, обладающего высокой вязкостью. Для этого в цементный раствор вводят мелкодисперсные добавки, а для обеспечения необходимого угла внутреннего трения - песок. Таким образом, раствор не проникает в поры грунта, а остается в нем в виде инородного тела. За счет этого происходит уплотнение и обжатие части грунтового массива и предотвращается развитие осадок ниже горизонта нагнетания.

В несвязных грунтах с высокой степенью проницаемости применяют фильтрационное нагнетание текучего раствора с высоким содержанием частиц твердой фракции, которые оседают вблизи инъектора, а жидкая среда фильтруется в грунтовый массив.

В глинистых грунтах эффективно важное нагнетание под большим давлением растворов, обладающих малой вязкостью, что способствует раскрытию в грунте трещин с образованием кливажа и обеспечивает проникание раствора в грунт. Такая технологическая схема осуществляется в постадийном режиме с выдерживанием между отдельными стадиями интервалов, достаточных для схватывания раствора, нагнетаемого на предыдущей стадии.

Вне зависимости от применяемой технологии нагнетания инъекторы погружают в грунт до приближения фронта горнопроходческих работ. При фильтрационной и кливажной схемах нагнетания, когда используют текучие растворы, предпочтительнее манжетные инъекторы малого диаметра и многоразового применения. При уплотняющем режиме применяют вязкие растворы, при этом требуются инъекторы большого диаметра, которые забиваются раствором на каждом этапе нагнетания и нуждаются в периодическом разбуривании.

Широкомасштабные работы по компенсационному нагнетанию были проведены на строительстве двух подземных линий метрополитена в г. Лиссабоне (Португалия) [56].Трасса тоннелей проходит в плотно застроенной части города под ценными историческими зданиями в толще неоднородных грунтов, представленных сыпучими и плотными песками с прослойками мягких связных грунтов. Глубина заложения тоннелей относительно подошвы фундаментов зданий изменяется от 3,5 до 10,0 м.

Проходку тоннелей вели механизированными щитами с грунтовым пригрузом, а возведение станции - новым австрийским способом. При проектировании компенсационного нагнетания учитывали опы тработ на строительстве тоннелей в Австрии, Германии, Великобритании и Канаде.

Для оценки напряженно-деформационного состояния грунтового массива в результате компенсационного нагнетания были выполнены расчеты методом конечных и граничных элементов. Моделировались все стадии проходки тоннелей и компенсационного нагнетания. Кроме того, были организованы опытные работы в натурных условиях.

Из шахтного ствола в грунт задавили 726 манжетных инъекторов ниже уровня грунтовых вод на расстоянии1,1 м от обделки тоннеля. Нагнетание цементно-бентонитового раствора выполняли в течение 12 сут в две стадии: вначале для создания «строительного подъема», используя для этого только 54 инъектора, а затем для окончательного закрепления массива грунта площадью 364 м²и толщиной 2 м.

Мониторинг смещений осуществляли с использованием электронных и оптических датчиков, прецизионных нивелиров, электроуровней, датчиков давления грунта, вертикальных и горизонтальных инклинометров, мультиэкстензометров.

В результате теоретических и экспериментальных исследований были получены характер распределения и интенсивность прогнозируемых и фактических осадок поверхности земли без компенсационного нагнетания и с нагнетанием при глубине заложения тоннеля 5 и 10 м.

Показано, что применение компенсационного нагнетания приводит к снижению окончательных осадок примерно в два раза. Так, по результатам расчетов и измерений на участке тоннеля с глубиной заложения 5 м осадки по оси выработки снизились с 65 до 51 мм (без преконсолидации) и до 32 мм, а на участке тоннеля с глубиной заложения 10 м -соответственно с 59 до 51 и 22 мм (рис. 30).

Были разработаны рекомендации по установлению оптимальной ширины и толщины слоя закрепленного грунта и его расположению относительно кровли тоннеля и фундаментов зданий.

Результаты расчета методом конечных элементов показали, что при заложении тоннеля на глубине 10 м зону нагнетания следует располагать как можно ближе к поверхности земли, что приводит к минимизации осадок дневной поверхности без дополнительной их компенсации за счет преконсолидации грунтового массива.

Трасса участка строящейся в Лондоне Юбилейной линии метрополитена от станции «Грин Парк» до станции «Ватерлоо» проходит под густо застроенной территорией со множеством зданий, имеющих историческо-архитектурную ценность [57].

В районе Вестминстера при строительстве одноименной пересадочной станции было выполнено компенсационное нагнетание в толщу лондонских глин, подстилаемых слоем гравия. Из пяти шахтных стволов были задавлены манжетные инъекторы с шагом 1 м. Общая длина инъекторов составила около 10 км.

Рис. 30 Графики снижения окончательных осадок поверхности земли в результате применения компенсационного нагнетания для тоннелей с глубиной заложения 5 м (а) и 10 м(б): - без нагнетания; - нагнетание без преконсолидации; - нагнетание с преконсолидацией

Контроль за смещения мигрунтового массива над станционными тоннелями осуществляли с помощью измерительной аппаратуры. Применение компенсационного нагнетания позволило избежать чрезмерных осадок грунтового массива и поверхности земли.

Компенсационное нагнетание применяли также при строительстве станции «Ватерлоо» [58]. Трехсводчатая станция длиной 140 м с путевыми тоннелями диаметром 8 м и средним- 10 м заложена на небольшой глубине от поверхности земли в непосредственной близости от фундаментов зданий и двухпутного железнодорожного тоннеля мелкогозаложения.

Вследствие щитовой проходки станционных тоннелей прогнозировали осадки поверхности земли до 0,2 м, исходя из 2%-ного объема выпусков грунта в забое щита. Компенсационное нагнетание должно было ограничить осадки до 25 мм и защитить наземные здания и сооружения.

В процессе производства работ применили трехстадийное нагнетание, предусматривающее:

- предварительную консолидацию грунтового массива до начала проходки тоннелей;

- фильтрационное нагнетание по время проходки тоннелей для предотвращения распространения смещений до поверхности земли;

- контрольное нагнетание для ограничения случайных осадок.

Работы выполняли через шесть временных и три постоянных шахтных ствола, задавливая в грунт горизонтальные манжетные инъекторы (общей длиной около 27 км). Цементно-бентонитовую смесь с добавками силиката нагнетали в шестиметровую зону контакта между пластами галечниковых отложений р. Темзы и лондонскими глинаминад сводом станции.

Во время строительства станции осуществляли мониторинг осадок и нагрузок на несущие конструкции тоннелей с использованием электрических уровней в наклонных и горизонтальных скважинах, электрооптических нивелиров и гидравлических датчиков.

Применение компенсационного нагнетания позволило ограничить осадки наземных сооружений 10- 15 мм, а отклонения их от вертикали 1:1000 и исключить повреждения конструкций. При отсутствии нагнетания осадки могли достигать 50 - 100 мм, что повлекло бы за собой нарушение устойчивости сооружений.

Кливажная технология компенсационного нагнетания была использована также при строительстве ряда подземных объектов в Австрии [59].Так, при возведении трехсводчатой станции длиной 110 м, пролетом 30 м и высотой до 8 м Венского метрополитена в 1992 г. применили новый австрийский тоннельный метод с раскрытием выработки по частям.

Станция заложена в жестких третичных глинах и плотных илистых грунтах на 12 м ниже подошвы фундамента пятиэтажного кирпичного здания административного назначения, построенного вначале XX в. Для производства инъекционных работ из специально пройденной вспомогательной выработки в грунт задавили горизонтальные манжетные инъекторы, расположив их в три яруса примерно посередине между подошвой фундамента здания и шелыгой свода станционного тоннеля.

В первую очередь выполнили предварительное нагнетание для преконсолидации грунтового массива. После этого начали нагнетание укрепляющего раствора в семь этапов в соответствии с технологической последовательностью раскрытия станционной выработки.

В процессе проходки тоннелей и компенсационного нагнетания проводили мониторинг перемещений грунтового массива и состояния наземного здания с помощью деформометров и экстензометров. Кроме того, измеряли осадки поверхности земли на территории прилегающего парка.

По результатам мониторинга было установлено, что по окончании проходки станционных тоннелей осадки непосредственно под фундаментом здания не превышали 35 мм, а за пределами зоны нагнетания составляли 75 - 80 мм. На отдельных этапах нагнетания были зафиксированы «подъемы» здания до 10 мм.

С применением компенсационного нагнетания построены два параллельных однопутных перегонных тоннеля метрополитена в г. Балтиморе (США) [54, 59]. Тоннели диаметром по 5,8 м заложены в толще песчаных грунтов выше уровня грунтовых вод. На одном из участков трасса тоннелей проходит под плотнозастроенной территорией, где около 40 кирпичных зданий, фундаменты которых расположены на 3 м ниже уровня грунтовых вод.

Как показали данные мониторинга, проведение компенсационного нагнетания позволило значительно снизить осадки грунтового массива, которые, согласно прогнозу, могли достигать125 мм над сводом станции и 200 мм на поверхности земли.

Уплотняющее компенсационное нагнетание применили также для предотвращения деформаций и разрушений водопропускной трубы арочного сечения с кирпичной обделкой, залегающей в 4 м над строящимся коммуникационным тоннелем диаметром 3,7 м в г. Миннеаполисе [США] [54].

Проходку тоннеля в плотных песках выше уровня грунтовых вод вели горным способом со стальной арочной крепью и дощатой затяжкой. Для производства работ по компенсационному нагнетанию с поверхности земли и непосредственно из водопропускной трубы были пробурены скважины для нагнетания.

Нагнетание осуществляли постадийно по мере проходки коммуникационного тоннеля. По данным мониторинга, перед подходом забоя тоннеля в контролируемую зону осадки грунта в уровне шелыги свода тоннельной выработки достигали 100 мм, а в уровне подошвы водопропускной трубы - 30 мм. По окончании горнопроходческих работ и компенсационного нагнетания смещения конструкций трубы не превышали 8 мм.

В нашей стране компенсационное нагнетание в широких масштабах не применялось, однако в связи со значительно возросшими объемами подземного строительства в г. Москве и ряде других крупных городов подобная технология должна быть востребована. Так, в связи со строительством крупнейшего Лефортовского тоннеля в г. Москве возникла необходимость выработки защитных мер по ограничению сдвижений и деформаций грунтового массива, поверхности земли и ряда ценных архитектурно-исторических ансамблей.

О необходимости принятия защитных мер свидетельствовали результаты геотехнического прогнозирования и визуальных обследований зданий, которые подвергались опасности деформаций в связи с проходкой тоннеля диаметром 14,2 м в толще слабоустойчивых водоносных грунтов [60].

В качестве наиболее эффективной меры по ограничению осадок и деформаций зданий было признано компенсационное нагнетание [61].Была разработана технологическая схема производства работ по нагнетанию твердеющих смесей в грунтовый массив между кровлей тоннелей и фундаментами зданий.

Для реализации указанной схемы потребовались предварительные исследования, на основе которых были установлены оптимальные режимы и параметры нагнетания, состав смесей и подобраны специализированное технологическое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура.

Опыт применения компенсационного нагнетания в разных странах свидетельствует о его эффективности, гибкости и адаптивности технологии к изменяющимся инженерно-геологическим и градостроительным условиям. Следует отметить, что рассматриваемый метод не заменяет другие методы стабилизации грунтового массива, а лишь дополняет их, обеспечивая возможность минимизации осадок поверхности земли, фундаментов зданий и инженерных коммуникаций непосредственно над строящимися тоннелями путем закрепления ограниченной области грунтового массива.

Результативность метода во многом зависит от правильного назначения места расположения и размеров зоны нагнетания, состава укрепляющих растворов, технологии и режима нагнетания и т. д. в строгом соответствии с конкретными условиями строительства.

Расчетные параметры нагнетания определяются на основе математического моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях. Для контроля за поведением грунтового массива и поверхностных сооружений в процессе проходки тоннеля обязательно проведение геотехнического мониторинга с использованием современной измерительной и компьютерной техники.

Таким образом, применение метода компенсационного нагнетания расширяет возможности тоннелестроителей по ограничению осадок грунтового массива при строительстве городских тоннелей закрытыми способами.

3.5 Меры по защите тоннелей от подземных вод

Строительство и эксплуатация городских тоннелей мелкого заложения в водоносных грунтах сопряжены с многочисленными проблемами как технического, так и экологического характера.

В последние десятилетия в крупных городах нашей страны наблюдаются нарушение баланса подземных вод и значительные колебания уровней грунтовых вод, вызванные природными и техногенными факторами, наиболее важными из которых являются откачка подземных и инфильтрация грунтовых вод [62].

Интенсивная откачка напорных подземных вод, главным образом для нужд промышленных предприятий, вызывает разуплотнение грунтовой толщи и, как следствие, деформации грунтового массива, поверхности земли, зданий и сооружений, дорог и инженерных коммуникаций. Так, в г. Москве из-за откачки подземных вод зафиксированы оседания ряда территорий до 0,12 - 0,15 м и более.

В ближайшем к поверхности земли грунтовом горизонте наблюдается подтопление, вызванное значительными потерями из водонесущих коммуникаций, многие из которых построены давно и капитально не ремонтировались. Кроме того, следует учитывать сезонные подтопления, вызываемые атмосферными осадками, таянием снега и др.

К отрицательным последствиям подтопления территорий относятся оползни, эрозия почвы, образование суффозионно-карстовых провалов, усиление коррозии подземных трубопроводов, затопление фундаментов и подвалов зданий, снижение несущей способности грунтов и др.

До некоторого времени в г. Москве откачка воды из подземных горизонтов и инфильтрация в верхние слои грунта в какой-то степени компенсировали друг друга, однако затем баланс был нарушен, что привело к подтоплению около 40% территории города (с поднятием первого водоносного горизонта к поверхности земли до 3 м и менее), а к 2010 г. специалисты прогнозируют подтопление около 70% городской территории [62].

В этих условиях строительство тоннелей вносит дополнительные нарушения в режим подземных вод, вызывая увеличение скоростей фильтрации и активизацию физико-химического действия воды. Взаимодействие эксплуатируемого тоннеля с подземными водами проявляется в гидростатическом давлении на конструкцию, опасности всплытия сооружения, нарушении устойчивости грунтового массива за счет размягчения твердых и разжижения несвязных грунтов. Для предотвращения указанных нарушений как на стадии строительства, так и в процессе эксплуатации тоннеля необходимы специальные стабилизационные меры, обеспечивающие безопасность производства работу надежность эксплуатации сооружения и минимизацию нарушений городской среды.

Для выработки конкретных рекомендаций технико-экологического характера помимо детальных инженерно-геологических изысканий необходимы научные исследования по прогнозированию изменения гидрогеологической связи с созданием тоннеля.

При строительстве крупных подземных объектов выполняют комплексные теоретические, лабораторные и натурные исследования взаимодействия тоннеля с водным потоком. В последние годы широко используют объемное математическое моделирование на основе численных методов (конечных элементов, конечных разностей, граничных элементов).

Расчет геофильтрационной математической модели дает возможность прогнозировать изменение уровней подземных вод и скоростей фильтрации в основных водоносных горизонтах на стадиях строительства и эксплуатации тоннеля. Результаты расчетов корректируются натурными наблюдениями и измерениями, как это было сделано, например, при строительстве подземной автостоянки на площади Революции в г. Москве[63].

Далее приведены наиболее эффективные технические меры по стабилизации грунтового массива и режима подземных вод, успешно реализованные при строительстве и эксплуатации тоннелей мелкого заложения в крупных городах.

Стабилизационные меры на стадии строительства

По данным мирового опыта, при строительстве тоннелей мелкого заложения в слабых водоносных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,3 до 100 м/сут наиболее распространенным и экологически чистым способом осушения грунтового массива является искусственное водопонижение.

В зависимости от глубины заложения тоннеля относительно уровня грунтовых вод, способа его строительства и степени водоотдачи грунтов применяют различные системы водопонижения с использованием легких иглофильтровых, вакуумных, эжекторных или вакуумно-эрлифтных установок.

При строительстве тоннелей котлованным способом со свайным ограждением водопонижающие скважины располагают обычно с наружной стороны стен выработки, однако при наличии ограждающих конструкций, выполненных по технологии «стена в грунте», или стального шпунта целесообразно устройство внутреннего поярусного водопонижения с размещением скважин внутри котлована.

В Австрии разработана и применяется технология глубокого водопонижения непосредственно через ограждающие конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», при которой донную часть траншеи под стены ограждения набивают гравием и опускают водопонижающие трубы (рис. 31) [64].При этом отпадает необходимость в бурении многочисленных скважин.

Рис. 31 Схема водопонижения через ограждающую конструкцию, выполненную по технологии «степа в грунте»: 1 - обсадная труба; 2 - железобетонная конструкция, выполненная по технологии «стена в грунте»; 3 - дно котлована; 4 - депрессионная кривая

Независимо от способа и технологии водопонижения последствия его часто бывают негативными, поскольку из-за осушения массива значительно возрастают напряжения в грунте от его массы (исключается «взвешивающий» эффект воды), что вызывает осадки грунтового массива, сопровождающиеся в ряде случаев нарушением устойчивости близлежащих зданий и сооружений, особенно если ограждающие котлован конструкции не достигают водоупорного пласта. Кроме того, в процессе откачки воды возможен суффозионный вынос мелких пылеватых частиц, что также отражается на деформативных свойствах грунта.

Во избежание вышеуказанных нарушений целесообразно применение технологии компенсирующей доливки воды в грунт через специально устроенные скважины. Такой способа пробировали, в частности, на строительстве одной из станций метрополитена в г. Брюсселе (Бельгия), сооруженной траншейным способом с применением внутреннего водопонижения [65].

Исследованиями было установлено, что эффективность компенсирующей доливки зависит от степени проницаемости грунта, гидростатического давления доливки и расположения уровня грунтовых вод. Как показали расчеты на двухмерной конечно элементной модели, вследствие возрастания дебита водопонижающих скважин увеличивается опасность выбросов грунта, в связи с чем давление долива должно быть ограничено.

Скважины для компенсирующей доливки располагали с шагом 5 - 10 м, заглубляя их на 5 м в пласт обводненных грунтов (рис. 32). Зазор вокруг доливочных трубок на верхней границе этого пласта уплотняли пробкой из мятой глины. Доливку воды производили при избыточном гидростатическом давлении от 0,02 до 0,04 МПа во избежание повышения уровня воды в доливочных скважинах.

Рис, 32 Схема внутреннего водопонижения без компенсирующей доливки (а) и с доливкой (б): 1 - глина; 2 -песок; 3 - ил и торф; 4 - строящийся тоннель; 5 - водопонижающие скважины; 6 -всасывающий насос; 7 - сливная труба для удаления избыточной воды в канализацию; 8 - пригрузочный бак для создания гидростатического давления; 9 -резервуар для воды; 10 - доливочные скважины; 11 - депрессионная кривая

Измерения расхода воды в доливочных скважинах позволили сделать следующие выводы:

- среднесуточный расход в установившемся режиме составлял 4,65Ч10⁶ м³/с на 1м скважины;

- на начальной стадии доливки расход в 2 - 3 раза превышал вышеуказанное значение;

- приблизительно через два месяца после начала доливки расход воды начинал падать из-за засорения доливочных труб, в связи с этим потребовалась очистка доливочных скважин путем откачки из них воды и продувки сжатым воздухом.

Как видно из рис. 32, применение компенсирующей доливки практически не отразилось на эффективности внутреннего водопонижения, однако исключило резкое опускание кривой депрессии и возможные деформации грунтового массива вблизи подземной станции метрополитена.

В тех случаях, когда водопонижение оказывается неэффективным или практически невозможным, применяют подводную разработку грунта и подводное бетонирование фундаментной плиты, а также специальные способы стабилизации основания (струйную цементацию, искусственное замораживание, химическое закрепление). При этом следует учитывать высокую стоимость работ по замораживанию и химическому закреплению грунтов и опасность загрязнения подземных вод химическими реагентами.

Подводную разработку грунта ниже уровня грунтовых вод осуществляют при помощи грейферов, установленных на бровке котлована, закрепленного водонепроницаемым ограждением (стальной шпунт или конструкция, выполненная по технологии «стена в грунте»).После разработки котлована до проектной отметки методом вертикально-перемещающейся трубы бетонируют фундаментную плиту. Затем котлован осушают и возводят перекрытие и лоток подземного сооружения (рис. 33). Во избежание всплытия фундаментной плиты ее делают массивной или заанкеривают в коренные грунты.

Рис. 33 Технологическая последовательность возведения тоннеля в водоносных грунтах: а- подводная разработка грунта; б - подводное бетонирование фундаментной плиты; в - откачка воды, возведение лотка и перекрытия; 1 - грейфер; 2 - ограждающая конструкция, выполненная по технологии «стена в грунте»; 3 - бетонолитная труба; 4 - фундаментная плита; 5 - перекрытие; 6 -лоток

При строительстве автотранспортного тоннеля длиной 500 м в г. Дюссельдорфе (Германия) работы вели в котловане со шпунтовой крепью (шпунт типа Ларсен на глубину 16,8 м) [66]. По длине котлован был разделен на отсеки временными поперечными стенками. Из двух вариантов фундаментной плиты - толщиной 4 м без анкеров и толщиной 1,3 м с анкерными сваями длиной 7,9 м - был принят последний. Плиту бетонировали подводным способом.

Аналогичным образом сооружен тоннель на кольцевой автомобильной дороге вокруг г. Мюнхена (Германия)[67]. Котлован длиной 1400 м был разделен на девять отсеков длиной от 110 до 220 м.

Фундаментную плиту станции метрополитена в г. Брюсселе заанкерили в прочный водоупорный пласт с помощью буронабивных свай с уширенным основанием [65].

Помимо свайных фундаментов устраивают фундаменты из закрепленного грунта. Например, при строительстве подземной автостоянки в Италии в толще водоносных гравелистых грунтов после разработки котлована на 0,5 м выше уровня грунтовых вод методом струйной цементации возвели противофильтрационную грунтоцементную плиту толщиной 2 м, заложенную на 2,5 м ниже днища подземного сооружения [68].

При глубоком залегании водоупорных пластов для уменьшения притока грунтовых вод в котлован нижеограждающих стен устраивают противофильтрационные завесы из глиногрунтовых или глиноцементных материалов. В случае если ограждения представляют собой конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», нижняя их часть может быть устроена как противофильтрационная (до водоупора).

Стабилизационные меры на стадии эксплуатации

Расположенный в водоносных грунтах ниже уровня грунтовых вод тоннель в зависимости от его длины представляет собой локальную или протяженную преграду для воды в направлении ее движения. Перед тоннелем возникает подпор, а с противоположной стороны -понижение уровня грунтовых вод. Вследствие этого увеличивается одностороннее давление воды на стены и лоток тоннеля, повышается опасность его всплытия, возрастают скорости фильтрации, что может вызвать суффозию под лотком и осадки основания.

Характер обтекания водой тоннеля зависит от глубины его заложения, расположения в плане относительно направления водного потока и расстояния от лотка до водоупора. В наибольшей степени «эффект плотины» проявляется при эксплуатации многоярусных тоннелей, в состав которых входят конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», заглубленные ниже подошвы.

Если стены не заделаны в водоупор (рис. 34,а), то под тоннелем происходит возрастание скоростей фильтрации, что может привести к размыву грунта основания, особенно при близком залегании водоупора.

При заделке стен характер обтекания сооружения фильтрационным потоком изменяется и может произойти перелив воды через перекрытие тоннеля (см. рис. 34,б).

Рис. 34 Характер обтекания фильтрационным потоком тоннеля без заделки (а) и с заделкой (б) стен в водоупор; 1 -уровень грунтовых вод с верховой стороны; 2 - тоннель; 3 - уровень грунтовых вод с низовой стороны; 4 - водопроницаемый грунт; 5 - водонепроницаемый грунт;6 - направление фильтрационного потока

С целью предотвращения подпора подземных вод перед тоннелем во избежание нарушений его конструкций принимают следующие меры: устраивают проемы в нижней части стен тоннеля;

- прокладывают дюкеры-трубопроводы в стенах и лотковой части тоннеля с водоприемными и инфильтрационными трубами;

- устраивают дренажную систему с удалением грунтовых вод вне или внутри тоннеля.

При заглублении несущих конструкций, выполненных по технологии «стена в грунте», в водоупор в них следует предусматривать проемы для пропуска потоков грунтовых вод (до 20%площади стен) или чередовать секции траншейных стен разной глубины (так называемая «гребенка»). На период строительства тоннеля грунт в проемах стен может быть заморожен.

В качестве примера такого решения можно привести опыт строительства и эксплуатации тоннелей в г. Эссене(Германия) [69]. В стенах из буровых свай были предусмотрены вертикальные зазоры шириной 1 м, занимающие около 12% площади стен.

Для сохранения режима подземных вод предусматривают систему продольных и поперечных дюкеров. В процессе строительства участка тоннелей метрополитена в г. Франкфурте-на-Майне(Германия) в водоносных грунтах под подошвой тоннеля были заложены продольные трубопроводы диаметром 0,15 м и длиной по 50 м, объединенные с поперечными дюкерами в виде заполненных гравием траншей глубиной 1,5 м и шириной 10 м. В траншеи уложены пять водопропускных труб диаметром 0,15 м.

В некоторых случаях для выравнивания уровней грунтовых вод по разные стороны от тоннеля поперечные дюкеры пропускают через сооружение и снабжают устройствами для регулирования давления воды (рис. 35). Весьма эффективным оказывается устройство дренажной системы в основании и по наружной поверхности стен тоннеля из слоя хорошо фильтрующего грунта или специальных дренирующих конструкций. В настоящее время созданы разнообразные одно- и многослойные дренирующие конструкции из синтетических материалов, в состав которых входят гидроизолирующий и фильтрующий слои. Наибольшее распространение получили фильтрующие мембраны из геотекстиля (полипропилена), пропускающие воду и задерживающие частицы грунта, предотвращая тем самым заиливание дренажной системы, вымывание и вынос грунта [70].

Рис. 35 Схема устройства для выравнивания уровней грунтовых вод по разные стороны подземного сооружения: 1 - водопроводном труба; 2 - манометр; 3 - вентиль; 4 -оцинкованная дренажная трубка; 5 - стена тоннеля; 6 - фильтрующий материт; 7 - защитная поливинилхлоридная пленка; 8 - ил и торф; 9 - гравий; 10 - мелкозернистый песок; 11 - фундаментная плита

В Австрии, Швейцарии, Германии, Франции и других странах широко используют специальные ковровые материалы (энкамат, энкадрен и др.), которые крепятся дисковыми анкерами к изолируемой поверхности из расчета 1 - 4 анкера на 1 м². Фильтрующую воду отводят по водосборным лоткам или трубам. Благодаря пространственному расположению волокон такие материалы обладают большой прочностью и пластичностью, сохраняя высокие дренирующие свойства в течение длительного времени.

Для обоснованного проектирования городских подземных сооружений мелкого заложения в водоносных грунтах наряду с детальными гидрогеологическими изысканиями необходимы исследования характера взаимодействия водного потока с тоннелем в процессе его строительства и эксплуатации.

В качестве методов исследований целесообразно использовать объемное математическое моделирование на основе численных методов, а также лабораторные и натурные наблюдения и измерения. По результатам исследований должны быть разработаны и обоснованы конкретные инженерные решения, обеспечивающие минимизацию нарушений тоннеля и городской среды и предотвращающие возникновение аварийных ситуаций.

На основе анализа данных современного опыта в качестве возможных стабилизационных мер на стадии строительства подземного сооружения следует рекомендовать:

- применение различных систем искусственного водопонижения с компенсирующей доливкой воды в грунт;

- подводную разработку грунта в котловане ниже уровня грунтовых вод и подводное бетонирование фундаментной плиты с разделением котлована на отдельные отсеки;

- усиление фундаментной плиты буровыми анкерными сваями или грунтовыми анкерами;

- устройство искусственного основания из закрепленного струйной цементацией грунта;

- создание противофильтрационных завес ниже подошвы тоннеля по технологии «стена в грунте».

Стабилизационные меры на стадии эксплуатации тоннеля включают в себя:

- устройство проемов в нижней части конструкций, выполненных по технологии «стена в грунте» (до 20%площади стен);

- прокладку дюкеров-трубопроводов в стенах и лотковой части тоннеля с водоприемными и инфильтрационными трубами,

- устройство дренажной системы в днище и стенах тоннеля из слоя фильтрующего грунта или синтетических дренирующих конструкций типа энкамата, энкадрена и др.

Приведенные выше положения затрагивают лишь некоторые аспекты важной и сложной проблемы взаимодействия тоннелей мелкого заложения с подземными водами. Актуальность проблемы обусловлена возрастающими объемами подземного строительства в г. Москве и других крупных городах России в условиях прогрессирующего подтопления территорий. В связи с этим возникает необходимость дальнейшего анализа и обобщения отечественного и зарубежного опыта в рассматриваемой области и проведения теоретических и экспериментальных исследований для выработки конкретных рекомендаций технического и экологического характера, которые должны найти отражение в соответствующих нормативных документах, регламентирующих вопросы проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей мелкого заложения в водоносных грунтах.