Обоснование возможности и целесообразности применения опережающей бетонной крепи при сооружении станций метрополитена в Санкт-Петербурге тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Филонов, Юрий Александрович

• Филонов, Юрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филонов, Юрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ КРЕПИ И ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА.

1.1. Анализ зарубежного и отечественного опыта использования опережающих бетонных крепей при строительстве тоннелей.

1.2. Особенности инженерно геологических условий Санкт-Петербурга и условия заложения станций метрополитена. Обоснование необходимости применения опережающих крепей.

1.3. История развития конструктивных решений колонных станций метрополитена г. Ленинграда (Санкт-Петербурга).

1.4. Конструктивно-планировочное решение и инженерно-геологические условия заложения станции "Адмиралтейская".

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛЯХ ИЗ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ КРЕПИ.

2.1. Обоснование метода моделирования. Постановка задачи исследований.

2.2. Построение модели и порядок проведения эксперимента.

2.3 Анализ результатов экспериментальных исследований.

3. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ КРЕПИ. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ МАТЕРИАЛА ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ КРЕПИ.

3.1. Определение рациональных технологических параметров опережающей крепи.

3.2. Расчет опережающей крепи методом Метрогипротранса.

3.3. Разработка составов мелкозернистых бетонов для опережающей крепи.

3.4. Оценка несущей способности временной крепи в объемной постановке задачи.

3.4.1. Выбор и обоснование расчетной схемы.

3.4.2. Результаты расчетов.

4. ТЕХНОЛОГИЯ СООРУЖЕНИЯ СТАНЦИИ "АДМИРАЛТЕЙСКАЯ" С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ВРЕМЕННОЙ КРЕПЬЮ.

4.1. Сооружение боковых станционных тоннелей и монтаж колонно-прогонното комплекса.

4.2. Сооружение среднего зала станции с применением временной опережающей крепи.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСАДОК ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СООРУЖЕНИИ СТАНЦИИ "АДМИРАЛТЕЙСКАЯ".

5.1. Основные положения теории осадок.

5.2. Сравнение осадок при сооружении колонных станций с использованием традиционной и новой технологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование возможности и целесообразности применения опережающей бетонной крепи при сооружении станций метрополитена в Санкт-Петербурге»

Проблемы дальнейшего развития сети метрополитена в Санкт-Петербурге тесно связаны с инженерно-геологическими и градостроительными условиями. Особенностью градостроительных условий строительства в Санкт-Петербурге является наличие в центральной части города высокой плотности населения (1100. 1400 чел/га), застройки с большим количеством памятников культуры и искусства, имеющих мировое значение, а также исторически и архитектурно ценных зданий и сооружений. Одновременно с этим, на периферии города к настоящему времени сложилась плотная многоэтажная застройка жилыми зданиями. Все эти объекты весьма чувствительны к деформациям дневной поверхности, что предъявляет жесткие требования по их ограничению при строительстве объектов метрополитена.

Для Санкт-Петербурга проблема осадок дневной поверхности особенно актуальна при сооружении станционных узлов. Значительные размеры поперечного сечения станционных выработок создают определенные трудности в проведении горнопроходческих работ. Сложности механизации горнопроходческих работ, быстрое нарастание горного давления и значительных смещений в массиве вышележащих пород при поэтапной разработке сечения приводят к осадкам земной поверхности и повреждениям зданий и сооружений на ней.

Осадки при сооружении станционных узлов, в силу особенностей ленинградской геологии, в годы строительства первых очередей метрополитена составляли в среднем от 400 до 500 мм, а при строительстве станции пл. Восстания достигали величины 700 мм. Здания в зоне станций получали серьезные повреждения, требовали специальных работ по усилению и укреплению, либо полного расселения и сноса. Чтобы снизить воздействие строительства на городскую среду стремились располагать станции под пустырями или малоценными сооружениями, но это не всегда удавалось по условиям трассирования линий и рациональности расположения станций в наиболее напряженных транспортных узлах города.

В последние годы значительные научные и инженерные силы метростроения были направлены на разработку таких конструкций и технологий, которые позволили бы избавиться от этого серьезного недостатка.

Проблема снижения осадок при строительстве станций метрополитена лежит как в плоскости совершенствования их конструкций, так и в плоскости совершенствования технологии сооружения. В настоящее время наметилось три основных направления.

- прежде всего, это освоение обжимаемых на породу обделок, что позволяет существенно уменьшить деформации конструкций и подвижки вмещающего сооружение массива грунтов;

- вторым направлением является повышение уровня механизации и связанное с этим увеличение скоростей проходки, позволяющие, за счет уменьшения времени пребывания выработок на временных податливых крепях, уменьшить осадки земной поверхности;

- третье направление связано с разработкой и внедрением специальных технологий сооружения станций метрополитена и соответствующих комплексов механизмов и специальных материалов.

Одной из таких специальных технологий является применение опережающих бетонных крепей. Принцип ее заключается в прорезании опережающей щели в породном массиве над сводами будущей выработки, заполнении ее быстротвердеющим и быстро набирающим прочность составом и проведении под защитой этой крепи проходческих работ с монтажом постоянной обделки.

Сложность проблемы заключается в создании механизма для вырезки щели и подборе заполняющего ее состава. К решению этой проблемы привлекались крупнейшие научные и конструкторские силы С. Петербурга.

В 1994 году была проведена первая экспериментальная работа на сооружении тоннеля D=6m с целью производственной проверки всех научных и конструкторских предложений.

Первой масштабной опытной работой стало сооружение среднего тоннеля станции колонного типа "Адмиралтейская" начатое в середине 1995 года. Станция расположена в центральной исторической части города в зоне понижения кровли протерозойских глин в сторону Невы. На поверхности над станцией находятся ценные в историческом плане жилые и общественные здания постройки первой половины прошлого столетия, часть которых признана аварийными из-за частичной потери несущей способности кирпичной кладки стен и перекрытий. Одной из основных задач, поставленных перед метростроителями, было выполнение строительства станции без повреждения этой застройки и без расселения жителей, что означало выполнение горнопроходческих работ с минимальными осадками земной поверхности.

Настоящая научно-исследовательская работа имеет своей целью обобщение и анализ результатов опытно-экспериментальных работ по внедрению технологии опережающей крепи, расчетно-теоретических и экспериментальных исследований особенностей ее статической работы, подбору рациональных материалов для возведения таких крепей, анализ натурных данных по величинам осадок земной поверхности над строящимся станционным комплексом. На базе проведенного анализа разработаны рекомендации по применению опережающей крепи при сооружении станций метрополитена в инженерно-геологических условиях г. Санкт-Петербурга.

X. АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ КРЕПИ И ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Филонов, Юрий Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему :

1. Анализ отечественных и зарубежных методов крепления при проходке выработок большого сечения в сложных инженерно-геологических условиях дает основание заключить, что в условиях Санкт-Петербурга добиться существенного снижения осадок земной поверхности возможно при применении опережающих бетонных крепей, создавая их путем нагнетания быстротвердеющих составов в предварительно устроенные в забое выработки щелевые прорези.

2. Исследованиями на моделях из эквивалентных материалов установлено, что применение опережающей крепи при сооружении калоттной прорези среднего зала колонной станции приводит к снижению величин осадок в 2,5.3 раза, по сравнению с осадками, зафиксированными при строительстве колонных станций по традиционной технологии.

3. Расчетно-теоретические исследования позволили получить величины напряжений в опережающей крепи при различной ее толщине с учетом последовательности сооружения и определить необходимые требования к скорости набора прочностных параметров материала крепи.

4. Для устройства опережающей крепи разработаны и внедрены составы мелкозернистых бетонов на основе магнезиальных вяжущих и обычных цементов с соответствующими добавками (ультрарапидцемен-тов), удовлетворяющие требованиям к началу схватывания, скорости твердения и нарастания прочности.

5. Решен комплекс технологических задач по взаимной увязке технологии резания и заполнения прорези с процессом разработки грунта калот-ты, монтажом и обжатием обделки верхнего свода.

6. Выполнены расчетно-теоретические исследования крепи в объемной постановке задачи методом конечных элементов с учетом разработанной технологической схемы и полученных параметров подобранного материала крепи. Установлено, что несущая способность опережающей крепи обеспечена на всех этапах ее сооружения.

7. Разработан комплекс оборудования и выполнены работы по сооружению опережающей крепи, разработке грунта и монтажу арок верхнего свода под ее прикрытием при строительстве среднего зала колонной станции «Адмиралтейская».

8. Выявлен характер формирования нагрузок на опережающую крепь и предложена зависимость (5.1) для количественной оценки нагружения крепи во времени.

9. Прогноз осадок земной поверхности при сооружении станции по новой технологии должен выполняться с учетом ее специфики. Предложена формула (5.2), учитывающая особенности новой технологии путем введения корректирующего коэффициента.

10. Разработанные автором рекомендации по конструктивно-технологическим решениям и материалам опережающей крепи реализованы при проектировании и строительстве колонной "Адмиралтейская" в Санкт-Петербурге.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филонов, Юрий Александрович, 2004 год

1. Асратян Д.Р. Тоннели с опережающей крепью. //Метрострой 1983. -№5.-с. 31.

2. Маковский Л.В. Под защитой экрана из труб. //Метрострой 1980. - №4. - с.23-24.

3. Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена. Л.: Стройиздат, 1973. - 71 с.

4. Карымышев М., Черноховская С. Метод подрезки контурной щели при строительстве Парижского метрополитена. //Транспортное строительство -1979. -№12.

5. Maccan S., Carrieri G., Grasso P., Pelizza S., Paagliacci F. 1996. The Pretun-nel: A New Construction Technigue in Mechanized Tunnelling. North American Tunnellinq. Washinqton. pp 331-338

6. Peila D., Oreste P.P., Rabajoli G., Trabucco E. Numerical design of pretunnel method. Tunnelling and Undeground Space Techno log,. 1995.

7. Маковский JI. Устройство опережающей крепи с применением микротоннельной технологии. //Метро 1992. - №3. - с. 57-60

8. П.Асратян Д.Р. Совершенствование способа строительства тоннелей с опережающей бетонной крепью. //Транспортное строительство 1984. - №3. — с.54-55

9. Асратян Д.Р. Натурные экспериментальные исследования технологии проходки тоннелей с опережающей бетонной крепью. //Метрострой -1986.- №2. -с. 15-16.

10. Антонов О.Ю. Перспективные направления в решениях станционных конструкций. //Метрострой 1985. -№1. - с.20-22.

11. Кошелев Ю.А. О конструкциях и технологии сооружения обделок, обжатых в породу. //Метрострой 1975. - №2. - с.9-14.

12. Лиманов Ю.А. Метрополитены. М.: Транспорт, 1971. - 359 с.

13. Макаров О.Н., Меркин В.Е. Транспортные тоннели и метрополитены. -М: ТИМР, 1991.-171 с.

14. Пашков П.О путях интенсификации возведения станционных комплексов. //Метрострой 1986. - №6. - с. 10-11.

15. Фролов Ю.С. Конструкции и сооружения станций метрополитена. Л.: ЛИИЖТ, 1984.-78 с.

16. Храмов В.Г., Деменко Е.А. и др. Тоннели и метрополитены. М.: Транспорт, 1989. - 383 с.

17. Компанией С.А., Поправке А.К., Богородецкий А.А. Проектирование тоннелей. М.: Транспорт, 1973. - 320 с.

18. Антонов О., Федоров Г., Щукин С. Комплекс новых высокоэффективных подземных конструкций на Кировско-Выборгской линии. //Метрострой -1979.-№1.-с.21-23.

19. Фролов Ю.С., Голицынский Д.М., Ледяев А.П. Метрополитены. Учебник для вузов. М.: Желдориздат, 2001. - 528 с.

20. Рабочий проект станции «Адмиралтейская». С.-Петербург: Ленметро-гипротранс, 1995.

21. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов. М.: Недра, 1978. -256 с.

22. Сильвестров С., Антонов О., Мандриков С. Исследование статической работы свода станции "Площадь Мужества". //Метрострой 1974. - №7. -с. 11-13.

23. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н., Шклярский М.Ф. и др. Моделирование в геомеханике. М.: Транспорт, 1991. - 240 с.

24. Айвазов Ю. Взаимодействие породного массива с обделкой. //Метрострой 1983. - №6. - с.15-17.

25. Айвазов Ю., Кравчук В., Лысяк В., ШкутаЕ. Напряженное состояние массива пород, вмещающего цельносборную конструкцию. //Метрострой- 1982. №3. - с. 18-20.

26. Лиманов Ю.А., Голицынский Д.М., Федоров Г. А. Моделирование работы тоннельных конструкций: Учебное пособие. Л.: ЛИИЖТ, 1985. - 68 с.

27. Ларионов В. Конструкция большого пролета в кембрийских глинах. //Метрострой -1969. №3. - с. 14-15

28. Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Васильев Ю.И. и др. Моделирование проявлений горного давления. Л.: Недра, Лен. отд., 1968. - 280 с.

29. Голицы некий Д.М., Коньков А.Н. Исследования на моделях двухъярусной станции метрополитена. //Транспортное строительство 1990. - №2.- с.25-27.

30. Исследование односводчатой станции на моделях методом эквивалентных материалов для уточнения размеров основных конструктивных элементов и технологии производства работ. Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. Ю.А Лиманов Л.; 1972. - 75 с.

31. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Минск: Изд-воБГУ, 1982.-304 с.

32. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир — 1977. - 447 с.

33. Месчян С.Р. Экспериментальная реология глинистых грунтов. М.: Недра, 1985.-342 с.

34. Ларионов В.И. Исследование методом моделирования статической работы односводчатой станции метрополитена в кембрийских глинах: Дисс. канд.техн.наук, Л.: ЛИИЖТ, 1969. 240 с.

35. Меркин В.Е., Степанов П.В. О нагрузках на временную крепь подземных выработок Санкт Петербургского метрополитена. Экспертное заключение, 1984.

36. Степанов П.В. Расчет временной арочной крепи. Экспертное заключение, 1983.

37. Фотиева Н.Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. М.: Стройиздат, 1974. - 250 с.

38. Баклашев И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М.: Недра, 1984. -415 с.

39. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1989. -271 с.

40. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. -М.: Недра, 1989-270 с.

41. Глушко В.Т., ГавеляС.П. Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород. -М.: Недра, 1986. 221 с.

42. Фролов Ю.С., ИванесТ.В. Механика подземных сооружений: Учебное пособие. СПб.: ПГУПС, 1997. - 102 с.

43. Кулагин Н., Ларионов В. О напряженно-деформированном состоянии породы при сооружении свода большого пролета ///Труды ЛИИЖТа. Л., 1975. - Вып. 384. - с. 94 - 100

44. Глушко В.Т., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. М.: Недра, 1982. - 193 с.

45. Кулагин Н.И. Пересадочные узлы на линиях метрополитена глубокого заложения. Автореф. дисс. . докт.техн.наук: ПГУПС С-Пб., 1997. - 62 с.

46. Кулагин Н.И. Пересадочные узлы на линиях метрополитена глубокого заложения. М. ТИМР, 1996. - 111 с.

47. Исследование возможности применения опережающей крепи в условиях строительства метрополитена в Санкт-Петербурге. Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев. Л.; 1998. - 97 с.

48. Корнеев В.И., Сизоненко А.П., Медведева И.Н., Новиков Е.П. Особобы-стротвердеющее магнезиальное вяжущее. //Цемент 1997. - №2. -с. 25-28.

49. ГОСТ 1216-87 "Порошки магнезитовые каустические. Технические условия."

50. Яшин А.В. Рекомендации по определению прочностных и деформационных характеристик бетона при неодноосных напряженных состояниях. -М.: НИИЖБ, 1985.-72 с.

51. Корнеев В.И., Александров В.Н., Филонов Ю.А., Сизоненко А.П. Магнезиальный томпонажно-гермитизационный материал. Патент №2078197. СПб., приоритет от 22.11.1994.

52. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред. М.: Недра, 1974. - 240 с.

53. Филин А.П. Расчет оболочек произвольного очертания на основе дискретной расчетной схемы. //Тр. конф. по теории пластин и оболочек. -Казань: изд-во КазГУ, 1961.-е. 388-398.

54. Филин А.П. Современные проблемы использования ЭЦВМ в механике твердого деформируемого тела. Л. Стройиздат, 1974,73 с.бб.Огульник А. Применение метода конечных элементов для расчета подземных конструкций. //Метрострой 1974. - №8. - с.24-25.

55. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975. - 237 с.

56. Корнеев В.Г. Схемы метода конечных элементов высоких порядков точности. JI. Изд-во ЛГУ, 1977.

57. Корнеев В.Г., Розин Л. А. О численной реализации метода расчленения на примере изгиба пластинки. //Инженерный журнал. Механика твердого тела 1967. - №2. - с. 106-114.

58. Hrennikoff A.n Solution of problems of elasticity by the Framework Method. J. of Appl. Mech., ASME, 1941, v.8, pp.A169-A175.

59. Филонов Ю.А. Развитие безосадочной технологии строительства большепролетных сооружений метрополитена на примере станции «Адмиралтейская». // Инженер путей сообщения 1997. — №1. - с.71-72.

60. Безродный К., Сильвестров С., Касапов Р., Подзарей А. Сооружение тоннелей большого сечения в слабоустойчивых грунтах. //Метрострой -1984.-Xo2.-c.9-ll.

61. Филонов Ю.А., Александров В.Н., Иванов В.Г. Устройство для сооружения тоннелей глубокого заложения в слабоустойчивых грунтах методом опережающей крепи. Патент на изобретение: заявка № 96104899/03(008869), приоритет от 19.03.1996.

62. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1975. - 223 с.

63. Безродный К., Сильвестров С., Карташов Ю. Особенности деформирования протерозойских глин. //Метрострой 1982. - №6. - с. 16-17.

64. Безродный К.П., Татаринцева Л.П. К вопросу об изучении деформатив-ных характеристик протерозойских глин в натурных условиях. //Труды ЛИИЖТа. Л., 1975.-Вып. 384.-с. 110-115.

65. Айвазов Ю., ЛайкинВ. Деформативные свойства плотных пластичных грунтов при больших нагрузках. //Метрострой 1987. - №7. - с.21-22.

66. Подаков В.Ф. Исследование влияния на здания деформаций земной поверхности при сооружении тоннелей метрополитена в кембрийских глинах. Автореф. дисс. канд.техн.наук Л., 1970. - 24 с.

67. Чжан Чжен. Методы определения кривой оседания земной поверхности при сооружении тоннелей. //Труды ЛИИЖТа. Л., 1962. - Вып. 195. -с. 239 - 244

68. Фролов Ю.С., Хуцкий В.П. Сдвижение земной поверхности при сооружении пересадочных узлов метрополитена в Санкт-Петербурге //Подземное пространство мира. 2001. - №5-6. - с. 46-49.

69. Лиманов Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л.: ЛИИЖТ, 1957. - 240 с.

70. Хуцкий В.П., Федотов В.П. Мониторинг деформаций земной поверхности и наземных сооружений при проходке станционных тоннелей //Горный журнал 2001. - №7. - с. 75-77.

71. Хуцкий В.П. Методика прогноза оседаний и деформаций при сооружении тоннелей метрополитена //Сборник научных трудов ОАО "ВНИИгалургии", СПб, т.1, 2001. - с.65-79.

72. Хуцкий В.П. Сдвижение земной поверхности при строительстве пересадочных узлов метрополитена в условиях Сант-Петербурга. Автореф. дисс. канд.техн.наук: ПГУПС С-Пб., 2003. - 24 с.

73. Программа натурных измерений осадок группы зданий, расположенных в пределах Прогнозируемой мульды оседания строящейся станции Санкт-Петербургского метрополитена «Адмиралтейская». С.Пб., Ленметроги-протранс, 1993.