Сдвижение земной поверхности при строительстве объектов метрополитена Санкт-Петербурга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.01, кандидат технических наук Долгих, Михаил Владимирович

• Долгих, Михаил Владимирович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Долгих, Михаил Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Состояние изученности вопроса

1.1.Оседание земной поверхности при проходке первых тоннелей в г.Москве

1.2.Особенности деформации поверхности при сооружении

объектов метрополитена в Ленинграде

1.3.Сдвижение земной поверхности при проходке тоннелей мелкого заложения в г.Минске

1.4 . Современные теоретические разработки по определе-

нию основных параметров процесса сдвижения

1.5.Выводы и задачи исследования

2. Процесс сдвижения земной поверхности при проходке одиночных тоннелей

2.1.Развитие процесса сдвижения при сооружении тоннелей в протерозойских глинах

2.2.Сдвижение земной поверхности-при проходке выработок в неустойчивых породах

2.2.1. Оседание земной поверхности при сооружении тоннелей в четвертичных отложениях

2.2.2. Развитие процесса сдвижения земной поверхности после аварий 1974 г. и 1995 г. на участке "Размыва" линии №1

2.2.3. Деформации поверхности и тоннельной обделки при проходке наклонных ходов с применением технологии ис-

кусственного замораживания

2 . 3 . Выводы

3. Процесс сдвижения земной поверхности при сооружении

станций колонного типа

3.1.Геологическое строение массива и технология

строительства станции "Адмиралтейская"

3.2.Наблюдения за сдвижением поверхности и массива. Рост вертикальной нагрузки на элементы конструкции станции "Адмиралтейская"

3.3. Результаты наблюдений за оседанием сводов обделки и земной поверхности над станцией "Адмиралтейская"

3.4. Параметры процесса сдвижения земной поверхности при сооружении станций "Адмиралтейская" и "Достоев-

ская"

3.5. Выводы

4 . Деформации земной поверхности при строительстве одно-сводчатых станций

4.1.Технология сооружения односводчатых станций

4.2.Динамика роста вертикального давления налегающих пород на станцию "Площадь Мужества". Напряженно-деформационное состояние массива вокруг станции по данным глубинных радиоактивных реперов

4.3. Деформация породного ядра и обделки верхнего свода в процессе проходки станции

4 . 4 . Параметры процесса сдвижения земной поверхности при проходке станций "Площадь Мужества" и "Чкалов-ская"

4.5. Выводы

5. Методика прогноза вероятных сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве подземных объектов метрополитена в Санкт-Петербурге

5.1.Основные факторы, влияющие на оседание земной поверхности при проходке тоннелей

5.2.Горизонтальные сдвижения и деформации земной поверхности при строительстве объектов метрополитена

5.3.Методика прогноза максимальных сдвижений и деформаций поверхности при сооружении колонных и односводчатых

станций

5.4.Проект наблюдательной станции на поверхности и в

тоннелях

Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сдвижение земной поверхности при строительстве объектов метрополитена Санкт-Петербурга»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Проблема охраны зданий и сооружений от вредного влияния горнопроходческих работ при строительстве объектов метрополитена в Санкт-Петербурге является актуальной. Перспективное планирование развития городского пассажирского транспорта включает проект расширения сети метрополитена на период до 2050 года, согласно которому должны быть введены в эксплуатацию 4 новых линии, включающие в себя более 50 станций. Новые линии метрополитена пройдут через исторический центр города с высокой плотностью городской застройки и разветвленной сетью инженерных коммуникаций .

В зону влияния строительно-монтажных работ попадают целые жилые кварталы, представленные зданиями постройки XIX в., начала XX в., требующие определенных мер защиты. Меры защиты определяются на стадии перспективного планирования строительно-монтажных работ. Применяемая в настоящее время методика прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности требует внесения определенных корректив на основе накопленного за последние годы опыта строительства метрополитена и внедрения перспективных технологий горнопроходческих работ.

Цель работы.

Совершенствование методики прогноза максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве подземных объектов метрополитена в Санкт-Петербурге для выбора мер защиты подрабатываемых зданий и сооружений .

Идея работы.

Разработка методики прогноза максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности, базирующейся на анализе существующих технологий сооружения различных объектов метрополитена с учетом горно-геологического строения массива, способа проходки и выбора конструкции временной крепи.

Задачи исследований.

В соответствие с поставленной целью в работе предусматривается решение следующих задач:

изучение и обобщение результатов исследований по вопросу сдвижения земной поверхности при строительстве объектов метрополитена за последние 25 лет; анализ существующей методики прогноза деформаций земной поверхности;

анализ данных натурных наблюдений за изменением вертикальной нагрузки от налегающих пород на выработки метрополитена;

анализ причин аварий и сдвижений :земной поверхности последовавших за ними, на участке "Размыва" линии №1;

исследование деформационных характеристик тоннельной обделки;

определение влияния на земную поверхность при различных этапах строительства колонных станций метрополитена ;

разработка методики прогнозирования максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности и методических рекомендаций по проведению наблюдений за ними в период строительства объектов метрополитена.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

анализ и интерпретация натурных наблюдений за сдвижениями и деформациями земной поверхности и тоннелей, проведенные маркшейдерской службой Метростроя за последние 25 лет;

проведение натурных наблюдений по трем наблюдательным станциям, заложенным на поверхности и в выработках при проходке наклонных ходов "Литовский проспект" и "Чкаловская", а также станции "Адмиралтейская" ;

аналитический метод исследования, анализ результатов измерений деформаций тоннельной обделки и изменения вертикальной нагрузки на конструкции подземных объектов метрополитена с применением аппарата математической статистики.

Научные положения, защищаемые автором.

1. Вертикальная нагрузка на обделку тоннеля функционально зависит от времени, прошедшего с момента проходки

- б -

тоннеля, степени подработанности массива и конструкции выработки.

2. Оседание сводов обделки колонных станций прямо пропорционально вертикальной нагрузке, а оседание свода обделки односводчатой станции пропорционально квадрату вертикальной нагрузки в определенный момент времени.

3. Максимальное оседание земной поверхности зависит от оседания временной крепи, величины уменьшения строительного зазора до проведения первичного нагнетания, оседания свода обделки, физико-механических свойств вмещающих пород и других факторов.

4. Для прогноза максимальных сдвижений и деформаций поверхности область влияния выработки целесообразно разделить на следующие зоны:

зона вертикального растяжения пород длиной 15-^20 м, расположенная над выработкой;

зоны вертикального сжатия пород, определяемые по углам влияния 80=4 5°.

Значения максимальных деформаций поверхности прямо пропорциональны величине максимального оседания и обратно пропорциональны длине соответствующих зон для наклонов и квадрату длины для кривизны.

Научная новизна заключается в выявлении закономерностей изменения напряженно-деформационного состояния пород при проходке тоннелей, количественной и качественной оценке факторов, определяющих характер и величину деформирования земной поверхности при ее подработке.

Практическая значимость работы.

1. Предлагаемая методика прогноза позволяет обоснованно и достоверно определить величины максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности при оценке последствий подработки земной поверхности и выборе мер защиты подрабатываемых объектов.

2. Обоснованы практические рекомендации, приводящие к снижению эффективной мощности, не уменьшая скорость проходки и позволяющие, в свою очередь, уменьшить величины сдвижений и деформаций земной поверхности.

3. Разработана методика наблюдений за сдвижениями и деформациями земной поверхности и горных выработок при строительстве различных объектов метрополитена.

Достоверность научных положений.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается сравнением и достаточной сходимостью величин прогнозируемых сдвижений и деформаций земной поверхности и вертикальных нагрузок на конструкцию станции с данными натурных наблюдений по ряду наблюдательных станций на поверхности и в выработках.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований планируется использовать проектными и научно-исследовательскими организациями для разработки нормативных документов по прогнозу сдвижений и деформаций земной поверхности, а также для выбора мер охраны подрабатываемых объектов при строительстве метрополитена в Санкт-Петербурге.

Апробация работы.

Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на трех научных конференциях студентов и молодых ученых СПбГГИ им.Г.В.Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоения" (24-25.04.96); (23-24.04.97); (1516.04.98), а также на заседаниях кафедры маркшейдерского дела СПбГГИ им. Г. В. Плеханова в 1996^-1999 г. г. и получили одобрение.

Исходные материалы и личный вклад соискателя.

Основой диссертационной работы являются планы подземных выработок, совмещенные с поверхностью, геологические разрезы массива в районе производства строительно-монтажных работ, результаты вычислений, выполненных в Ленметрогипротрансе по разработанным .программам, данные по наблюдениям за сдвижением земной поверхности и измерениям деформаций обделки тоннелей, выполненные сотрудниками ВНИМИ и маркшейдерской службы Метростроя и Метрополитена, исследования статической работы различных конструкций метрополитена, выполненные работниками Ленинградской лаборатории ЦНИИС.

Автор принимал личное участие в наблюдениях за деформацией тоннельной обделки наклонного хода "Литовский проспект" и станции "Адмиралтейская", а также в серии наблюдений за оседанием земной поверхности над вышеперечисленными выработками. Все исследования, начиная с анализа состояния изученности проблемы и заканчивая разработкой рекомендаций по проведению натурных наблюдений выполнялись

непосредственно автором на кафедре маркшейдерского отдела V в СПбГТИ, во ВНИМИ и маркшейдерских отделах АО "Метрост-роя" и АОЗТ "СМУ-17 Метрострой".

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в шести публикациях.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 168 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 49 наименований.

В первой главе диссертационной работы дается анализ опыта подработки земной поверхности при строительстве первых линий метрополитена в Москве и Ленинграде, приводятся варианты прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности в Ленинграде и Минске. В ней указаны недостатки применяемой методики прогноза сдвижений и деформаций поверхности при строительстве метрополитена в Санкт-Петербурге.

Вторая глава посвящена подработке земной поверхности одиночными тоннелями, пройденными в различных горногеологических условиях с применением разных технологий строительства, в том числе с использованием метода искусственного замораживания. В главе дан анализ причин аварий 1974 г. и 1995 г. на участке "Размыва" линии №1. Исследована динамика изменения вертикального давления от налегающих пород на одиночный тоннель, пройденный в протерозойских глинах.

Третья глава содержит анализ опыта строительства станций колонного типа с применением передовых технологий на примере проходки "Адмиралтейской". На основе аналитического анализа данных натурных наблюдений с привлечением аппарата математической статистики выявлены основные закономерности и получены уравнения функций регрессии для следующего вида корреляционных связей:

между величиной вертикальной нагрузки и временем, прошедшим с момента проходки выработки; между оседанием сводов обделки и вертикальным давлением на нее;

между оседанием сводов обделок и величиной максимального оседания земной поверхности.

В главе приведена статистическая обработка данных наблюдений и получены величины основных параметров процесса сдвижения при проходке станций "Адмиралтейская" и "Достоевская" .

В четвертой главе приводится анализ опыта сооружения односводчатых станций на примере "Площади Мужества". Проведена обработка данных натурных наблюдений за изменением напряженно-деформационного состояния массива вокруг станции, полученных по измерениям сдвижений глубинных радиоактивных реперов, а также определена динамика роста горного давления. Выявлена корреляционная связь между оседанием обделки верхнего свода и ростом вертикальной нагрузки на него. В главе проведен сравнительный анализ процессов сдвижения при строительстве станций "Площадь Мужества" и "Чкаловская".

Пятая глава посвящена непосредственно разработке методики прогноза максимальных сдвижений и деформаций поверхности. В ней определяются факторы, влияющие на оседание земной поверхности, приводится методика расчета эффективной мощности выработанного пространства и определения величины максимального оседания на различных этапах строительства объектов метрополитена. В главе дан краткий анализ результатов измерений горизонтальных сдвижений и деформаций, разработана методика прогноза максимальных деформаций земной поверхности в различных зонах мульды сдвижения и дана оценка точности прогнозируемых деформаций, а также разработаны рекомендации по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и горных выработок для различных объектов метрополитена.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

1.1. ОСЕДАНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОХОДКЕ ПЕРВЫХ

ТОННЕЛЕЙ В Г.МОСКВЕ

При строительстве подземных объектов метрополитена происходит нарушение естественного напряженного состояния горных пород, что приводит к деформациям контура выработки, покрывающих пород массива и земной поверхности. В условиях плотной застройки крупных городов в зону влияния горнопроходческих работ попадают целые микрорайоны с многоэтажными зданиями и инженерными коммуникациями, в которых от воздействия деформации земной поверхности возникают дополнительные усилия. Под воздействием этих усилий здания и сооружения подвергаются деформациям и повреждениям, которые в ряде случаев приводят к прекращению их эксплуатации.

При решении практических задач по определению влияния горнопроходческих работ на земную поверхность весьма важно предвидеть характер развития деформаций поверхности и их величины. В связи с этим особое значение в настоящее время придается совершенствованию методики расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности.

Изучение вопроса влияния тоннельных выработок на оседание земной поверхности возникло в нашей стране в связи со строительством метрополитена в Москве в 1933 г. Первые горнопроходческие работы вызвали значительные деформации крепи выработок и, как результат этого - оседание поверхности и повреждение зданий, расположенных вдоль трассы тоннелей.

Первые исследования были выполнены проф. П.М. Цимба-ревичем, который наметил основные направления в изучении поставленной проблемы.

Очень интересны исследования проф.В.Л.Маковского по выявлению причин влияния горных работ на вблизи расположенные здания.

Большую ценность представляют работы проф. Б.А. Ржа-ницына, затрагивающего вопросы деформаций земной поверхности при сооружении тоннелей мелкого заложения и методы охраны зданий при помощи химического закрепления грунтов .

Особый интерес представляют исследования, выполненные П.И.Антоновым по установлению углов влияния при проходке

тоннелей в песках и супесях, а также по определению минимального расстояния между двумя тоннелями, при которых не происходит наложения максимальных оседаний земной поверхности одних на другие. П.И.Антонов отмечает, что влияние распространяется под углом 304-34° в обе стороны от тоннеля и впереди его забоя. В этом случае максимальное оседание поверхности не превышает величины 230 мм. В случае обрушения в забое, сдвижение распространяется под углом 50-^54°, а осадки поверхности достигают 3 м. В части определения расстояния между тоннелями было установлено, что оно не должно быть менее 1,542 поперечных сечений выработки.

Б.А.Домешко и В.А.Ходов разработали методику предварительного расчета оседания земной поверхности при щитовой проходке в песчаных грунтах. Авторы рассматривают причины осадок поверхности в систематическом переборе грунта в забое (до 5% от проектного объема) и наличии строительного зазора. При расчете осадок учитываются физико-механические свойства грунтов и технология производства работ. Данная методика может быть с успехом применена при сооружении тоннелей в четвертичных отложениях в других городах с учетом особенностей пород.

Отделом инженерной геологии Метрополитена были проведены интересные наблюдения за оседанием горных пород при проходке перегонных тоннелей. Наблюдения велись с помощью глубинных реперов, заложенных в различных слоях пород. В результате получены величины смещения различных пород под влиянием горнопроходческих работ и скорости их оседания: 7 мм/сут. при проходке левого тоннеля и 10-1-28 мм/сут. от правого, углы влияния около 4 0°.

1.2. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СООРУЖЕНИИ ОБЪЕКТОВ МЕТРОПОЛИТЕНА В ЛЕНИНГРАДЕ

Ленинградский метрополитен имеет глубокое заложение в связи со сложными горно-геологическими условиями, поэтому мульда сдвижения охватывает значительную площадь земной поверхности, вызывая деформации и повреждения зданий и сооружений.

Рассматривая вклад ученых при строительстве Ленинградского метрополитена, следует отметить капитальный труд проф.Ю.А.Лиманова в области изучения осадок земной поверхности при проходке тоннелей в кембрийских глинах.

При строительстве первой очереди в 1948-^1955 г.г. на трех станциях был выполнен большой объем натурных наблюдений за деформациями обделки и земной поверхности.

Станция N 1 - пилонного типа расположена в толще нижнекембрийских глин. Проходка началась с боковых тоннелей, затем был пройден средний тоннель и раскрыты проемы. По результатам наблюдений за реперами на поверхности выявлено максимальное оседание по оси станции 131 мм и средний угол влияния 45°40'.

Станция N 2 - пилонного типа сооружалась в слоях нижнекембрийских глин, нарушенных трещиноватостью. Технология предусматривала сначала проходку среднего тоннеля, а затем боковых с раскрытием проемов. Максимальное оседание по оси станции достигло величины 205 мм, а средний угол

влияния 45°20'.

Станция N 3, расположенная в толще нижнекембрийских, относится к колонному типу. При ее сооружении земная поверхность получила максимальное оседание 116 мм в районе оси станции, а средний угол влияния составил 42°35'.

Все измерения на поверхности производились нивелированием по реперам, заложенным в стенах зданий и костылям, забитым в асфальт. Наблюдения за деформацией обделки станции N 1 были произведены в каждом 10-м кольце и рассчитаны средние значения по каждому тоннелю. Технология строительства предусматривала щитовую проходку станционных тоннелей с перебором породы по контуру выработки до 250 мм. Контроль за перемещением породы в незакрепленном пространстве осуществлялся с момента взятия забоя до монтажа обделки.

Кроме натурных наблюдений Ю.А.Лиманов провел серию опытов на моделях из эквивалентных материалов. При этом массив был разделен на две части - рыхлые четвертичные отложения и плотные кембрийские глины. На моделях изучалась проходка одиночных выработок и сооружение пилонных станций по каждому этапу строительства.

Используя данные наблюдений, проф.Ю.А.Лиманов разработал методику, позволяющую сделать расчет ожидаемых осадок земной поверхности, сущность которой сводится к следующему :

1. При сооружении одиночного тоннеля по контуру выработки возникают упругие деформации. В этом случае рассматривается упругая изотропная невесомая полуплоскость, ослабленная незакрепленным круговым отверстием диаметром

Бо с приложением к ее границам равномерно распределенной нагрузки, равной весу полного столба породы над выработкой. Методом теории упругости определяются смещения точек внешнего контура полуплоскости, принимая при этом кембрийские глины как линейно-деформируемое тело.

2. При сооружении смежных тоннельных выработок в непосредственной близости от ранее пройденного одиночного тоннеля по их контуру образуется зона неупругих (пластических) деформаций, которые развиваются во времени и в основном зависят от величины зазора между контуром выработки и наружной поверхностью тоннельной обделки. После схода щита с очередного кольца обделки в образовавшийся зазор нагнетается цементно-песчаный раствор и пока он не наберет прочности, примерно равной временному сопротивлению кембрийских глин на сжатие порядка 2СН25 кг/см2, обделку нельзя считать закрепленной. В период охватывания раствора по контуру выработок происходят пластические деформации, развивающиеся во времени около 3-^4 суток. По истечении этого периода происходит повторное (контрольное) нагнетание раствора.

Следовательно, определяющим при расчете деформаций по контуру выработки при сооружении смежного тоннеля является величина смещения на наиболее характерном участке, которым является шелыга свода "А" (точка, расположенная по вертикальному диаметру). иА - величина ее смещения наибольшим образом зависит от горного давления.

3. Возникшая деформация по контуру тоннельных выработок передается по вышележащей толще кембрийских глин на контакт их с четвертичными отложениями. Следовательно, существует определенная зависимость между деформациями по контуру тоннельных выработок в кембрийских глинах и деформацией верхней границы (контакта) этих глин с четвертичными отложениями. В данном случае характер деформаций будет определяться величинами:

а) максимальное оседание верхнего слоя кембрийских глин

и0;

б) полумульда оседания по верхнему слою, принятая из расчета равной 2а, где а = , где

Ь.0 - заглубление центра выработки в кембрийскую глину, гс - радиус обделки.

4. Оседание земной поверхности является следствием развития деформаций по контуру выработки с последующим их развитием в вышележащей толще пород кровли (рис.1). При

этом принимается постоянство объемов мульд вплоть до земной поверхности. Процесс сдвижения в четвертичных отложениях будет происходить под углом, равным

л л Ф

в = -4--, где 4 2

ф - угол внутреннего трения рассматриваемых пород. Форма кривой профиля мульды оседания земной поверхности принята по аналогии с кривой, полученной проф. С.Г.Авершиным.

Проводя исследование, проф.Ю.А.Лиманов пришел к выводу, что для уменьшения деформации поверхности наиболее приемлемой считается технология сооружения станции, предусматривающая сначала проходку боковых тоннелей, а затем среднего. С переходом строительства станций Ленинградского метрополитена с пилонного на закрытый тип без боковых посадочных платформ необходимо отметить работу Ю.А. Лима-нова и А.И.Поправко по моделированию способов производства работ при сооружении станций нового типа. На основе вышеизложенной методики авторы рассмотрели возможные деформации при проходке среднего зала щитовым и эректорным способом. Исследования показали, что эректорная проходка среднего тоннеля с применением двухстадийной разработки сечения забоя приводит к уменьшению оседания земной поверхности .

При строительстве станций метрополитена особое место в развитии оседания земной поверхности занимает сооружение наклонных ходов. Раскрытию механизма возникновения и развития деформаций горных пород при сооружении эскалаторных тоннелей с искусственным замораживанием и влияния его на оседание земной поверхности способствовали исследования С.И.Сильвестрова. Обращает на себя внимание предлагаемый Ж.М.Ержановым и В.П.Матвеевой метод расчета оседаний земной поверхности при проходке тоннелей в кембрийских глинах, основанный на использовании реологических характеристик горных пород. Авторы приравнивают кембрийские глины по своим реологическим свойствам к весьма близким донецким сланцам, аргиллитам и алевролитам. Авторы заменяют метод теории упругости, предложенный Ю.А.Лимановым, реологическим уравнением линейной наследственности, соответствующим ядру ползучести.

Наряду с приведенными выше исследованиями оставался еще ряд вопросов, которые требовали дальнейшего изучения. В течение более 10 лет В.Ф.Подаковым, С.Г.Мандриковым и другими сотрудниками ВНИМИ были произведены натурные на-

блюдения на четырех строящихся .станциях Невско-Василеостровской и Московско-Петроградской линиях Ленинградского метрополитена.

Основные направления изучения были следующие:

1. Исследование развития мульды оседания земной поверхности при строительстве станций и пересадочных узлов метрополитена различных конструктивных решений (пилонного и закрытого типа), сооружаемых в различных слоях кембрийских глин.

2. Исследование развития мульды оседания земной поверхности при оттаивании ледогрунтового ограждения подземного вестибюля и наклонных ходов.

3. Уточнение расчета ожидаемых деформаций земной поверхности и развития кривой мульды оседания.

4 . Сравнение расчетных параметров деформаций земной поверхности с фактическими результатами развития мульды оседания.

5. Исследование деформаций покрывающей толщи горных пород с помощью радиоактивных реперов при проходке тоннелей станции, сооружаемой в верхних слоях кембрийских глин.

6. Исследование воздействия мульды оседания земной поверхности на здания и разработка мероприятий по их защите от влияния проходческих работ при сооружении метрополитенов .

Решающим фактором, определяющим сдвижение и деформацию земной поверхности, была принята мощность кембрийских глин, находящихся в шелыге свода над выработками.

Станция N 1 Московско-Петроградской линии конструктивно относится к пилонному типу и залегает в мощном слое нижнекембрийских глин. Инструментальные наблюдения были начаты в 1961 г. и проводились регулярно от 1 до 4 раз в месяц в зависимости от активизации процесса сдвижения. Как показали исследования, деформации земной поверхности достигли 80-85% своих максимальных значений в период ведения горнопроходческих работ по строительству станции в 1961-^1963 г. г. В последующее время оседание поверхности продолжается в течение 3-^4 лет под влиянием ползучести горных пород.

Впервые в практике строительства метрополитена в Ленинграде был сооружен подземный вестибюль под защитой ледогрунтового ограждения стен котлована со стороны соседних зданий. По результатам наблюдений 'было выявлено, что процесс сдвижения не закончился с пуском станции N 1 в 1963 г., а активно продолжался еще длительное время.

Развитие деформаций, вызванных оттаиванием ледогрун-тового ограждения вокруг наклонного хода можно разделить на ряд этапов:

Первый, продолжительностью около б мес., когда происходит постепенная активизация оттаивания, деформации в большой степени проявляются на участках наклонного хода, расположенного ближе к поверхности. Наибольшее оседание земной поверхности достигает величины 7 3 мм.

Второй, продолжительностью 6-8 мес., когда происходит постепенная активизация оттаивания, деформации в большой степени проявляются на участках наклонного хода, расположенного ближе к поверхности. Наибольшее оседание земной поверхности достигает величины 73 мм.

Третий, длительностью около 4 мес., характеризуется наивысшей интенсивностью процесса сдвижения, этому способствовало вступление станции в эксплуатацию, когда потоки теплого воздуха активизировали процесс оттаивания.

Инструментальные наблюдения за этот период отметили наибольшую скорость оседания, равную 12 мм/мес.

Четвертый продолжался около 12 мес., при этом отмечалась активная стадия оттаивания ледогрунтового ограждения, однако наблюдалось уменьшение скорости оседания поверхности до 7 мм/мес.

Пятый характеризуется еще наличием в грунтах избыточной влажности, что способствует протеканию длительного процесса сдвижения пород кровли при малых скоростях оседания поверхности около 1.1ч-1.3 мм/мес., и продолжением около 3 лет.

Станция N 2 Невско-Василеостровской линии закрытого типа входит в состав пересадочного узла, располагается несколько выше станции N 1 и имеет меньшую толщину кембрийских глин под шелыгой свода. В период ведения горнопроходческих работ при выходе выработок в верхние слои кембрийских глин был отмечен значительный рост горного давления.

По данным наблюдения были выявлены максимальные оседания земной поверхности над осью станции 167 мм и в зоне наклонного хода 541 мм.

Строительство станции N 3 закрытого типа на Невско-Василеостровской линии происходило в условиях, когда над выработками находился мощный слой кембрийских глин. До начала производства горнопроходческих работ ВНИМИ выдал расчет ожидаемых деформаций, при этом оседание поверхности от строительства станции с учетом ползучести горных

пород не должно было превысить 100 мм. При оттаивании ле-догрунтового ограждения ожидалась деформация поверхности около 350 мм.

Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности производились по профильным линиям (по фасадам зданий), по головке трамвайного рельса и по реперам, заложенным во дворах. В общей сложности за 4 года было выполнено 14 серий наблюдений по 150 реперам. Данные измерения показали, что развитие мульды сдвижения происходило в соответствии с ожидаемыми расчетными деформациями.

При этом максимальное оседание поверхности от строительства станции составило 80 мм, а при оттаивании ледог-рунтового вокруг наклонного хода 232 мм.

Станция N 4, закрытого типа, входит в состав пересадочного узла, ее выработки выходят в толщу верхнекембрийских глин, включая переходные слои, что создало неблагоприятные условия для горнопроходческих работ. Было отмечено моментальное нарастание горного давления, сопровождающееся значительными деформациями контура горных выработок. Кроме обычных наблюдений за оседанием земной поверхности производилось изучение сдвижения толщи пород с помощью радиоактивных реперов. В три скважины, глубиной 35-^7 0 м, расположенные поперек станции, было застреляно 4 4 пульки с изотопами кобальта (Со60). Для наблюдения за вертикальными и горизонтальными деформациями земной поверхности было заложено около 300 стенных реперов в цоколе зданий и около 100 реперов в асфальтном покрытии.

В результате обработки натурных наблюдений за сдвижениями радиоактивных реперов в скважинах были определены относительные деформации толщи пород в направлении оси скважины (по вертикали).

Скважина "А" была пробурена на глубину 37 м и по оси среднего тоннеля, "Б" на глубину 70 м в 16 м от тоннеля, "В" - на глубину 36 мв 29 м от тоннеля. При приближении забоя выработки к скважине "А" толща пород претерпевала деформации сжатия, зона которых начинает прослеживаться в 30-^-4 0 м впереди движущегося забоя. Максимум сжатия находится примерно в 20 м впереди забоя. Высота зоны сжатия от оси выработки составила примерно 28 м или 0,6 Н.

Деформации сжатия в толще горных пород впереди движущегося забоя вызваны опорным давлением и меняют свой знак на противоположный в верхней части разреза в 5-ь7 м позади забоя, а в нижней - в 5-^6 м впереди забоя. Средний

угол наклона линии с нулевыми деформациями в толще составляет 80°.

Последующие наблюдения за глубинными радиоактивными реперами в скважине "А", проведенные в течение 12 мес. после проходки, показали, что возникшие над забоем деформации растяжения толщи пород, в основном, сохраняются.

Как показали результаты измерений по скважине "Б", зона ощутимых деформаций сжатия прослеживается примерно в 15 м впереди движущейся проекции плоскости забоя. Далее прослеживается их постепенное нарастание, и максимум приходится на 20-г25 м позади забоя, высота этой зоны над осью выработки составляет 30 м или 0,7 Н, а глубина б м.

Результаты наблюдений по скважине "В" были соизмеримы с погрешностью измерений.

Кроме наблюдений за оседанием поверхности в период 1962-^-1967 г. г. был выполнен большой объем работ по изучению горизонтальных деформаций. Было установлено, что между горизонтальными сдвижениями и наклонами существует определенная зависимость:

Е, = Ьх1

Ь - коэффициент пропорциональности, физический смысл которого заключается в том, что он численно равен расстоянию от поверхности до нейтральной линии изгибающегося слоя. По данным наблюдения И = 7,5-^9. Измерения показали, что при оседании земной поверхности более 100 мм деформации растяжения в 2 раза превышают безопасную величину.

На основе проведенных натурных исследований и, используя методику, предложенную проф.Ю.А.Лимановым, внеся в нее небольшие коррективы, ВНИМИ, ВНИИГ и руководство метрополитена в 1973 г. выпустили "Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена". При расчетах ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности до настоящего времени, используют это "Пособие".

Расчет оседаний и деформаций в точках земной поверхности производится по методу типовых кривых, характер которых приводится в "Пособии".

Вычисление ожидаемых параметров сдвижения поверхности над станциями осуществляют суммированием деформаций, полученных при проходке каждого тоннеля с учетом ползучести пород.

Особо выделяется методика расчета при проходке наклонных ходов с использованием искусственного замораживания пород. Здесь учитывается изменение свойств грунтов при оттаивании.

Широкий комплекс исследований был проведен при проходке перегонных тоннелей в четвертичных отложениях на участке Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена. Вмещающие породы - моренные глины зеленовато-серого цвета и суглинки серого и коричневато-серого цвета с галькой и единичными валунами. В качестве постоянной крепи использовалась обделка трех видов:

а) железобетонная, из гладких блоков, обжатая в породу;

б) железобетонная из сборных тоннелей 06,0 м;

в) сборная чугунная 05,5 м.

На участках,закрепленных обжатой и сборной обделками проходка велась немеханизированным щитом, а железобетонная обделка, а железобетонная обделка 06,0 м монтировалась горнопроходческим эректором. Натурные наблюдения производились за сдвижением земной поверхности и деформацией тоннельной обделки.

Во время работы проходческого щита, его нож находился выше хвостовой части на 4 2 мм, что придавало выработке эллиптическое очертание, кроме того, наружный диаметр щитовой оболочки был больше, чем у обделки. Окружающие породы находились в состоянии вязкопластического течения и почти сразу же заполняли возникшие зазоры, что приводило к оседанию земной поверхности. После монтажа тоннельная обделка претерпевала деформации в шелыге свода и лотке, что так же отражалось на поверхности.

Исследования показали, что оседание- поверхности начинается на расстоянии от забоя, равном 0,8 глубины заложения тоннеля, а длина полумульды сдвижения примерно соответствует глубине. При этом максимальное оседание поверхности на участке со сборной обделкой составило 109 мм, а с обжатой - 68 мм при деформациях в области шелыги свода 81 мм и 25 мм соответственно. На основании этого был сделан вывод, что при проходке тоннелей в четвертичных отложениях наиболее приспособленной к. воздействию внешних условий является обделка, обжатая на породу.

Данные наблюдений будут весьма полезны для составления прогноза возможных сдвижений и деформаций при варианте проходки перегонных тоннелей в четвертичных отложениях над зоной "размыва".

В 1971 г. в практику строительства Ленинградского метрополитена была введена новая конструкция станции од-носводчатого типа, нашедшая в дальнейшем широкое применение. В связи с этим на первой подобной станции "Пл.Мужества" был проведен большой комплекс исследований и наблюдений за статической работой обделки, а также деформациями массива и земной поверхности. Во всех элементах постоянной крепи были установлены датчики, с поверхности забурены скважины, в которых расположили глубинные репера, а на земной поверхности заложили наблюдательные станции, состоящие из стенных реперов на зданиях и реперов на фонарных столбах и канализационных колодцах.

Станция расположена в толще протерозойских (кембрийских) глин, проходку ее верхнего свода по технологическим особенностям можно разделить на три участка.

Первый участок был пройден с давлением в блоке разжатия обделки, не превышающем 50 атм. и отставанием контрольного нагнетания от забоя до 40 м. Это привело к значительным деформациям постоянной крепи, достигшим максимальной величины до 90 мм в области шелыги свода.

При проходке участка было увеличено усилие первичного и вторичного разжатия домкрата Фрейсине до 250 м, а также уменьшено отставание контрольного нагнетания от забоя до 15 м. Благодаря этому заметно сократилась величина деформаций свода обделки, составившая, в среднем, 4 6 мм за 4,5 месяца.

На третьем участке было уменьшено количество винипла-стовых прокладок и их конструкция, что еще более снизило величины оседания свода.

На основании данных, наученных из наблюдений за глубинными реперами, был детально изучен процесс сдвижения пород массива.

При этом отмечено, что зона растяжения образуется над станцией в виде купола при непосредственном подходе забоя верхнего свода к створу наблюдательных скважин. При удалении забоя эта зона увеличивается по высоте, вызывая разуплотнение породы, так оседание породы над шелыгой свода составило 14 6 мм, а земной поверхности в этом месте - 110 мм. Деформации сжатия распространились в обе стороны от выработки на расстояние до 80 м и обусловлены развитием опорного влияния, возникшим за счет временной потери опоры грунта в зоне разгрузки. Нагрузка на свод станции достигла величины, примерно равной полному столбу вышележащих пород.

На начальном этапе проходки верхнего свода был проведен ряд наблюдений за поведением временной крепи. На стойках криволинейной штольни, пройденной для монтажа блокоукладчика, были установлены мерные тазы длиной 600 мм. Исследования показали, что основные деформации стен вызвала горизонтальная нагрузка со стороны забоя, величина которой наибольшая в районе оси станции, и уменьшается по мере приближения к опорам верхнего свода. При этом максимальная интенсивность горизонтального давления достигает значения 3,6 т/м2.

Перед проходкой станции ВНИИГ составил прогноз возможных оседаний земной поверхности и выдал величину 350 мм по оси выработки. На практике же максимальное оседание составило 94 мм после проходки верхнего свода и 12 6 мм над первым участком, 110 мм над вторым - третьим участками, через 13 месяцев.

Мульда сдвижения была ограничена углами влияния равными примерно 4 0°.

Все это позволило судить о перспективности подобной конструкции станции, как вызывающей меньшие деформации поверхности по сравнению с ранее применяемыми.

Длительное время Ленинградская лаборатория ЦНИИС совместно с лабораторией механических испытаний ВНИМИ изучала свойства протерозойских глин. Было установлено, что они в значительной степени обладают реологическими свойствами. Так параметры функции ползучести получаются:

Ф = — .t1", 1-а

где t - время, а=0,842, 5=0,0107.

Свойства ползучести можно учитывать при расчетах, используя переменные величины модуля деформации Et и коэффициента Пуассона jj,t:

Е = —^0,5-^Н.

Заключение диссертации по теме «Маркшейдерия», Долгих, Михаил Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований, состоящих из анализа и интерпретации натурных наблюдений, аналитических расчетов и статистической обработки можно сделать следующие выводы:

1. Применяемая ранее методика прогноза сдвижений и деформаций поверхности не учитывает технологии горнопроходческих работ и дает большой коэффициент запаса, что приводит к увеличению стоимости охранных мероприятий, проводимых для защиты подрабатываемых объектов.

2. Основные факторы, оказывающие влияние на сдвижение земной поверхности можно разделить на две группы:

-горно-геологические условия проведения строительно-монтажных работ;

-технология горнопроходческих работ при сооружении различных объектов метрополитена.

К первой группе следует отнести:

-размер горной выработки и глубину ее заложения от поверхности и в толще протерозойских глин;

-физико-механические свойства пород, вмещающих выработку и их изменение при оттаивании под воздействием нагрузки;

-гидрогеологические условия проведения работ.

Ко второй группе относятся:

-конструкция временной крепи и ширина зоны выработки, не закрепленная постоянной обделкой;

-величина переборов породы за внешний контур выработки;

-качество и своевременность проведения тампонажных работ, а также деформационные характеристики материала заполнения пустот;

-деформационные характеристики тоннельной обделки.

3. Установлены закономерности между увеличением вертикального давления на выработку и временем, прошедшим с момента ее проходки, а также между оседанием свода обделки и давлением на нее. Это позволяет определить величину оседания свода обделки в любой момент времени.

4. Величина максимального оседания земной поверхности зависит от эффективной мощности выработанного пространства, складывающейся из пяти основных составляющих:

-оседания временной крепи;

-уменьшения строительного зазора породами непосредственной кровли до выполнения первичного нагнетания; -оседания свода обделки;

-пустоты, оставшиеся после выполнения контрольного нагнетания, реологические свойства породы; -уплотнения пород ледогрунтового ограждения при его оттаивании под давлением налегающей толщи. Максимальное оседание земной поверхности включает также оседание впереди движущегося забоя, связанное с конвергенцией пород и перетечением их части из массива в выработку до возведения постоянной крепи - 8г|.

Величина 8т] зависит от физико-механических свойств пород, вмещающих выработку, так при проходке тоннелей на небольших глубинах в четвертичных отложениях впереди движущегося забоя реализуется до 40% от конечной величины оседания поверхности.

5. Для уменьшения оседания поверхности при проходке верхнего свода колонных и односводчатых станций Петербургского метрополитена необходимо свести к минимуму величину уменьшения строительного зазора породами кровли до выполнения первичного нагнетания. Для этого целесообразнее всего использовать заранее изготовленную железобетонную затяжку кровли, оставляемую за обделкой, что позволит, не снижая скорость проходки уменьшить величину отставания нагнетания от забоя.

6. Для выбора мер охраны подрабатываемых объектов целесообразно использовать величины максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности.

Полумульду сдвижения следует разделить на две части: -первая, в районе оси выработки, длиной Ь 1г равной 15 м для колонных и 20 м - для односводчатых станций; -вторая, длиной Ь2=Ь-Ь1, где Ь - длина полумульды, ограниченной углом влияния 50=45°. Значения максимальных деформаций поверхности в указанных зонах пропорциональны величине максимального оседания и обратно пропорциональны длине соответствующих зон для наклонов и квадрату длины для кривизны.

7. Процесс сдвижения земной поверхности, вызванной авариями в зоне "Размыва" отличается от процесса сдвижения при проходке тоннелей в протерозойских глинах. Величина углов влияния составляет 20° в направлении падения и восстания кровли протерозойских глин и 30° - в перпендикулярном направлении. Величина максимального оседания зависит от объема мульды сдвижения, в свою очередь зависящего от объема песка, выпущенного из массива в тоннели и составляет V

Лт ОДб Б

V - объем мульды (песка), Б - площадь мульды.

8. Процесс сдвижения земной поверхности при строительстве объектов метрополитена недостаточно полно изучен, особенно в области применения технологии искусственного замораживания и требует дальнейших исследований. Необходима закладка наблюдательных станций с расположением грунтовых реперов по профильным линиям. Одновременно с наблюдениями на поверхности необходимо производить комплекс измерений в подземных выработках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Долгих, Михаил Владимирович, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород и земной поверхности. М., 1947.

2. Антонов П.И. О проходке тоннелей метрополитенов закры-ти-я способом в песках и супесях. Метрострой №3, 19 62.

3. Баландюк Г. Перемещение колонн многосводчатой станций глубокого заложения. Метрострой №5, 1982.

4. Безродный К., Степанов П., Антонов С. Тоннели в четвертичных отложениях. Метрострой №6, 1981.

5. Безродный К., Сильвестров С., Карташов Ю. Особенности деформирования протерозойских глин. Метрострой №6, 1982.

6. Волков В. П. Тоннели и метрополитены. М., Транспорт, 1975

7. Голицинский Д., Аллахвердов Б., Яшкин А., Соколов М. Математическая модель деформирования оттаивающих грунтов вокруг выработки. Метрострой №2, 1989.

8. Домешко В. А., Ходов В. А. Прогнозирование осадок поверхности при щитовой проходке тоннелей в песчаных грунтах. Метрострой №3-4, 1963.

9. Дорман Я. А. Искусственное замораживание грунтов при строительстве метрополитенов. М., Недра, 1971.

Ю.Захаров Е. Прогнозирование осадок земной поверхности в слабых грунтах. Метрострой №8, 1986.

И.Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. М., Недра, 1989.

12. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. М., Недра, 1989.

13.Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. М., Недра, 1978.

14. Кулагин Н., Лиманов Ю. Влияние горного давления на временное крепление забоя в протерозойских глинах. Ме-тострой №4, 1974.

15. Кулагин Н. Сооружение станций с минимальными осадками поверхности. Метрострой №1, 1980.

16. Лиманов Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л., 1957.

17. Мостов В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения. Справочник. М., Недра, 1983.

18.Натурные исследования с разработкой и изготовлением новых типов измерительной аппаратуры, приборов и дат-

чиков при сооружении в кембрийских глинах односводча-той станции метрополитена. Л., ЦНИИС, 1974.

19. Невмержицкий Е. Исследования ледогрунтовых ограждений на физических моделях. Метрострой №4, 1974.

20.Отчет об инженерно-геологических исследованиях в районе "Размыва" на Кировско-Выборгской линии IV очереди. Л.,Ленметрогипротранс, 1982.

21.Отчет о сооружении перегонных тоннелей между станциями "Лесная" и "Площадь Мужества" в зоне "Размыва" (19731975 г.г.). Санкт-Петербург, Ленметрогипротранс, 1993.

22.Отчет по теме XIX: "Исследования взаимосвязи деформаций земной поверхности и зданий и разработка мер защиты зданий гор.Ленинграда при строительстве метрополитена". Л., ВНИМИ, 19 69.

23.Павлов С.П., Хлебников A.B. Математическая статистика в маркшейдерском деле. Л., ЛГИ, 1983.

24.Подаков В.Ф. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Исследование влияний на здание деформаций земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л., ВНИМИ, 1969.

25.Подаков В.Ф., Соловьев Ю.Ф., Капустин В.М. и др. Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатации зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена. Л., Ленстройиз-дат, 1973.

26.Поправко А.И. Экспериментальные исследования методом моделирования способов производства работ при сооружении станций нового типа метрополитена в кембрийских глинах. Сборник ЛИИЖТ №225.ю 1964. '

27.Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М., Недра, 1981.

28.Протосеня А.Е:, Потемкин Д.А. Проблема геомеханики тоннелей метрополитенов и оценка устойчивости обнажений. Труды международной конференции "Подземный город: геотехнологии и архитектура". Россия, Санкт-Петербдург, 8-10 сентября, 1998.

2 9.Проценко А., Ауэрбах В., Совранский В. Методика упруго-пластического расчета деформаций земной поверхности при проходке. Метрострой №2, 1988.

30.Сазонов Г.Н. Изучение сдвижения горных пород над перегонными тоннелями. Метрострой №2, 19 66.

31.Сарабаев В., Аоратян Д. Напряженно-деформационное состояние породного массива при проходке с опережающей бетонной крепью. Метрострой №7, 1985.

32.Сахаров И. И. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Физикомеханика криопроцессов в грунтах и ее приложение при оценке деформаций зданий и сооружений. Пермь, ПГТУ, 19 95.

33.Сильвестров С.П. Осадки поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей с искусственным замораживанием пород и мероприятия по их уменьшению. Сборник ЛИИЖТ №225, 1964.

34.Сильвестров С., Антонов О., Мандриков С. Исследование статической работы свода станции "Площадь Мужества". Метрострой №7, 1974.

35.Симкин В. И. Диссертация на соискание ученой степени поверхности, зданий и сооружений при строительстве метрополитена мелкого заложения. Минск, МГИ, 1982.

3 6.Соколов М. Моделирование проявления горного давления в оттаивающих грунтах. Метрострой №5, 1990.

37. Соколов М. Свойства оттаивающих дисперсионных грунтов. Метрострой №8, 1991.

38. Соломин В.И., Яровой Ю.И., Перегримов C.B. Прогноз деформаций земной поверхности при строительстве метрополитена в г.Челябинске. Труды Международной конференции "Подземный город: геотехнологии и архитектура". Россия, Санкт-Петербург, 8-10 сентября, 1998 г.

3 9. Степанов П., Мандриков С., Скобейников Г. Нагрузки на колонные станции. Метрострой №5, 1982.

40. Тарасов Б.Г., Ширкес O.A., Филонов Ю.А., Дианов В.М. Результаты экспериментальных исследований деформационных свойств тампонажных полиуретановых композиций, используемых для гидроизоляции тоннелей метрополитенов. Труды Международной конференции "Подземный город: геотехнологии и архитектура". Россия, Санкт-Петербург, 810 сентября, 1998.

41.Трупак Н. О вспучивании замороженных грунтов. Метрострой №5, 197 4.

42.Трупак Н.Г. Замораживание грунтов при строительстве подземных сооружений. М., Недра, 1979.

43.Фисенко Г.Л. Предельное состояние горных пород вокруг выработок. М., Недра, 1976.

44.Фролов Ю. , Скобейников Т. Статическая работа тоннельных обделок на участке размыва протерозойских глин. Метрострой №1, 1980.

4 5.Фролов Ю.С. Конструкции и сооружение станций метрополитена. Л., ЛИИЖТ, 1984.

46.Шадрин А.Г. Теория и расчет сдвижений горных пород и земной поверхности. Красноярск, Красноярский университет, 1990.

47.Шульц X. Строительство метрополитенов в Тайпсе и Бангкоке. Труды Международной конференции "Подземный город: геотехнологии и архитектура". Россия, Санкт-Петербург, 8-10 сентября, 1998.

4 8.Шуплик М., Гончаров В. Определение величины пучения при искусственном замораживании грунтов. Метрострой №1, 1988.

4 9.Якоби О. Практика управления горным давлением. М., Недра, 1987.