МЕРЫ ПО ОГРАНИЧЕНИЮ НАРУШЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ УСЛОВИЙ

Планировочные и конструктивно-технологические меры. Прогнозирование характера и интенсивности процесса сдвижений и деформаций грунтового массива и земной поверхности дает возможность принять необходимые меры по предупреждению и ограничению нарушений поверхностных условий, обеспечению устойчивости зданий и сооружений во время проходки тоннелей. Это, с одной стороны, планировочные, конструктивные и технологические меры, касающиеся расположения трассы тоннеля, выбора конструкции и технологии производства подземно-строительных работ, а с другой стороны, меры по защите зданий и инженерных коммуникаций по трассе строящегося тоннеля.

Планировочные меры предусматривают такое расположение тоннеля в плане, при котором осадки и деформации поверхности земли будут иметь минимальные значения и не будут влиять на состояние зданий и инженерных коммуникаций. Это достигается трассированием тоннелей преимущественно под малозастроенными участками городской территории, под скверами и парками, площадями и магистральными улицами, под зданиями, требующими капитального ремонта или предназначенными на снос, а также в обход исторических и архитектурных памятников.

Конструктивные меры сводятся к применению тоннельных обделок, наиболее рациональных с позиций ограничения нарушений устойчивости грунтового массива в процессе строительства тоннеля. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают конструкции обделок из набрызгбетона, монолитно-прессованного бетона, а также сборных чугунных и железобетонных обделок, обжатых распором в окружающий грунт. Такие обделки возводят без зазора с контуром выработки, что исключает первичное нагнетание тампонажной смеси и обеспечивает сравнительно быстрое вступление их в совместную работу с окружающим грунтом, ограничивая сдвижения и деформации последнего. Следует, однако, отметить, что эффективность применения обжатых в грунт обделок в отношении предотвращения осадок поверхности земли в значительной степени снижается в связи с тем, что до 50% распорного усилия тратится на упругое обжатие самой обделки. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкций обжатых обделок и способов их возведения должно предусматривать более полную передачу усилий обжатия на грунт, что будет способствовать ограничению сдвижений и деформаций грунтового массива.

Наиболее действенными являются технологические меры, направленные на устранение причин развития сдвижений и деформаций. Эти меры касаются, главным образом, последовательности и технологии разработки грунта в забое и крепления выработки. Например, при необходимости ведения горнопроходческих работ параллельно несколькими забоями подлежит соблюдению строгая очередность их раскрытия, что обеспечивает плавное развитие сдвижений и деформаций грунтового массива и поверхности земли. С этой же целью необходимо ограничивать глубину заходки, не допускать переборов грунта в забое, осуществлять быстрое и тщательное крепление выработки, выполнять своевременное и качественное нагнетание тампонажной смеси за обделку. Эти и другие технологические меры дифференцированы в зависимости от способов строительства тоннелей в различных инженерно-геологических условиях. Так, при проходке тоннеля горным способом в нарушенных скальных и полускальных грунтах с целью уменьшения деформаций грунтового массива исключают или ограничивают применение буровзрывных работ, особенно при строительстве тоннеля на небольшой глубине под застроенной территорией. В этом случае целесообразно применение тоннелепроходческих машин (см. п. 2.2), которые создают минимальные переборы грунта в забое и незначительные динамические воздействия на грунтовый массив. В качестве временной крепи целесообразно использовать набрызгбетон, стальные и сталеполимерные анкеры (см. п. 2.4), которые практически сразу после их установки вступают в работу и стабилизируют грунтовый массив в окрестности тоннельной выработки.

В полу скальных грунтах возможно применение НАТМ, который позволяет избежать чрезмерных осадок поверхности земли при строгом соблюдении технологических режимов производства тоннелестроительных работ. В слабых неустойчивых грунтах проходка тоннельных выработок горным способом неизбежно вызывает значительные деформации поверхности земли, вследствие чего в этих условиях применяют преимущественно щитовой способ работ. Для ликвидации причин возникновения сдвижений и деформаций грунтового массива и поверхности земли при щитовой проходке принимают специальные меры по предотвращению выпусков грунта в забое и на участке хвостовой оболочки щита, а также по устранению начальной эллиптичности колец обделки.

Значительное уменьшение переборов и выпусков грунта в забое достигается применением механизированных щитов (МЩ), оснащенных различными рабочими органами и крепежными приспособлениями. Так, в несвязных грунтах естественной влажности получили распространение щиты с горизонтальными рассекающими полками, челюстными или экскаваторными погрузчиками, щиты с лобовым ограждением в виде сплошной или регулируемой планшайбы, а также щиты с пригрузочными камерами, заполненными под давлением сжатым воздухом, водой, бентонитовой суспензией, грунтовым или пеногрунтовым пригрузом (см. п. 3.2). Указанные приспособления практически исключают переборы грунта и обеспечивают его дозированный отбор.

Для уменьшения переборов в забое щита важно обеспечить точное ведение его по трассе, с минимальными отклонениями от проектного положения. Это достигается установкой специальных стабилизаторов- элеронов, а также применением современных систем GPS для контроля за положением щита в пространстве.

С целью снижения сдвижений и деформаций поверхности земли щитовую проходку следует вести равномерно с большими скоростями, без длительных остановок. Уменьшение подвижек грунта в пределах хвостовой оболочки щита достигается различными средствами. Например, для сокращения величины зазора между обделкой и грунтом применяют гибкие тонкостенные хвостовые оболочки, шарнирно соединенные с опорным кольцом щита, а также разрезные, состоящие из отдельных полос-шандор, поочередно выдвигаемых вперед по мере монтажа очередного кольца обделки. Полосы изготовлены из высокопрочной стали с переменной толщиной от 7 до 10 мм. Кольца обжимаемой в грунт обделки собирают на такой оболочке практически без зазора, а при передвижке щита полосы изгибаются, обеспечивая необходимую маневренность щита (рис. 9.9).

При проходке тоннелей МЩ с обычными жесткими оболочками важное значение для уменьшения подвижек грунта имеет своевременное и равномерное заполнение зазора между обделкой и контуром выработки в зоне хвостовой оболочки щита. Оставление зазора между МЩ и готовой тоннельной обделкой незаполненным приводит к развитию деформаций грунтового массива. Для ликвидации этих пустот нагнетают строительный раствор по окружности тоннельной выработки через специальные отверстия в блоках тоннельной обделки, либо через трубки, установленные в оболочке щита (рис. 9.10). Последний метод обеспечивает более равномерное заполнение зазора за тоннельной обделкой строительным раствором.

Схемы расположения гибкой хвостовой оболочки щита после монтажа кольца обделки (а) и после передвижки щита и разжатия кольца (б)

Рис. 9.9. Схемы расположения гибкой хвостовой оболочки щита после монтажа кольца обделки (а) и после передвижки щита и разжатия кольца (б):

  • 1 — опорное кольцо; 2 — щитовой домкрат; 3 — гибкая оболочка;
  • 4 — блоки обделки

Для нагнетания за монтируемое кольцо используют пластичные тампонажные материалы: цементно-бентонитовую смесь, мелкий фракционированный гравий и т.п., подавая их насосами непрерывного действия через отверстия в элементах обделки.

Нагнетание тампонажной смеси за монтируемое кольцо обделки требует применения специальных уплотняющих устройств, предотвращающих вытекание тампонажной смеси внутрь щита. Уплотнители необходимы и в щитах с пригрузочной камерой, чтобы вода или бентонитовая суспензия, находящиеся в камере под давлением, а также напорные грунтовые воды не прорвались в щит через строительный зазор. В тоннелестроении применяют уплотнители фартучного, торового (надувного) и комбинированного типов.

Фартучные уплотнители изготовляют из высокопрочных тканей или из резины и армируют стальным кордом, пружинящими пластинами, шинами и т.п., что повышает их износоустойчивость. При проходке подводных тоннелей щитами с призабойной пригрузочной камерой применили уплотнители, состоящие из двух кольцевых неопреновых манжет, прикрепленных к хвостовой оболочке. Между манжетами помещено кольцевое уплотнительное устройство, которое, будучи заполненным сжатым воздухом, перекрывает строительный зазор на период возможной замены вышедших из строя манжет (рис. 9.11).

х

Рис. 9.10. Нагнетание строительного раствора по окружности тоннельной выработки (а) и через трубки, установленные в оболочке щита (б):

/ — насос для подачи строительного раствора; 2 — трубопровод для подачи строительного раствора; 3 — блоки тоннельной обделки; 4 — оболочка тоннельного щита; 5 — отверстия для нагнетания за тоннельную обделку;

6 — трубки в оболочке щита

На лоб забоя одновременно действует как горное, так и гидростатическое давление, что должно быть уравновешено давлением пригруза внутри рабочей камеры МЩ (рис. 9.12).

Нарушение этого баланса может привести:

  • • к осадкам поверхности земли — в случае, когда давление внутри рабочей камеры ниже, чем снаружи;
  • • к поднятию поверхности земли (для тоннелей, глубина заложения которых не превышает удвоенного диаметра МЩ) — в случае, когда давление в камере выше наружного давления. Для тоннелей глубокого заложения чрезмерное давление в рабочей камере может негативно повлиять на ее герметичность.
Конструкция уплотнителя строительного зазора

Рис. 9.11. Конструкция уплотнителя строительного зазора:

  • 1 — хвостовая оболочка; 2 — неопреновая манжета;
  • 3 — утолщение оболочки; 4 — надувное устройство;
  • 5 — направление притока воды и глинистого раствора; 6 — блоки обделки

В целях поддержания стабильного давления в грунтопригрузочной рабочей камере, разработанный грунт должен представлять собой однородную и пластичную смесь. Это достигается смешиванием грунта с пеной, полимерами, бентонитом или водой, для достижения материалом пастообразной консистенции. Пропорции компонентов пены (мыло, вода и сжатый воздух) выбирают в зависимости от типа и фракции разработанного грунта, а также от давления на лоб забоя. Дополнительным преимуществом смешивания грунта с пластифицирующими добавками являются лучшая его последующая проходимость и отсутствие засоров крупными фракциями внутри шнекового конвейера, что способствует эффективной разработке грунта.

Контроль за давлением в камере грунтопригруза достигается дозируемой выгрузкой грунта посредством регулирования скорости шнекового транспортера в соответствии со скоростью передвижения щита. Это позволяет поддерживать требуемое давление в рабочей камере на протяжении всей проходки тоннеля.

Объем извлеченной породы должен постоянно измеряться и контролироваться по количеству перевозящей эту породу транспортных средств. В последнее время используют более точные технологии, такие как конвейерные (ленточные) весы, радиоизотопный прибор для измерения плотности грунта, которые могут существенно повысить точность измерения объема извлеченного грунта в режиме реального времени.

Распределение давления в рабочей камере МЩ

Рис. 9.12. Распределение давления в рабочей камере МЩ:

  • 1 — поверхность земли; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — давление грунта;
  • 4 — гидростатическое давление; 5 — корпус МЩ; 6—рабочая камера;
  • 7 — давление пригруза

Конвейерные (ленточные) весы (рис. 9.13) представляют собой систему, состоящую из весоизмерительного моста с весоизмерительными ячейками, электронного измерительного преобразователя и сенсора скорости.

Сигнал с весоизмерительных ячеек, пропорциональный весу материала ), передается на измерительный преобразователь. На преобразователь также подается импульсный сигнал от сенсора скорости (F), который может быть установлен или на направляющем, или на отклоняющем ролике.

Оба этих сигнала с конвейерных весов используются для вычисления количества транспортируемой породы (V) по формуле Схема конвейерных весов

Рис. 9.13. Схема конвейерных весов:

  • 1 — весоизмерительный мост; 2 — весоизмерительные ячейки,
  • 3 — электронный измерительный преобразователь; 4 — сенсор скорости

Конвейерные весы измеряют только вертикальную составляющую веса транспортируемой породы. Разработанный грунт на транспортерной ленте, проходя через ленточные весы, оказывает на роликовую опору и, соответственно, на весоизмерительные ячейки усилие, пропорциональное нагрузке. Результирующее усилие (вес материала и опоры), приложенное к каждой весоизмерительной ячейке, передаётся на тензорезисторы. Принципиальная технологическая схема работы конвейерных весов при транспортировании извлеченного из рабочей пригрузочной камеры грунта приведена на рис. 9.14.

Радиоизотопный прибор для измерения плотности грунта может быть использован в качестве еще одной точной бесконтактной технологии измерения. Основным преимуществом перед другими измерительными приборами является то, что на показания этого прибора не влияет ни изменение натяжения конвейерной ленты, ни переменная плотность транспортируемого по ней грунта. Радиоизотопный прибор измерения плотности монтируется над конвейером перпендикулярно движению разработанной породы.

Современные МЩ оборудуются специальными системами, предназначенными для предотвращения образования вывалов в забое тоннеля. Вывалы в забое и, как следствие, осадки вышележащего грунтового массива могут происходить при остановках тоннелепроходческих работ или в результате внезапного падения давления в рабочей камере. По этой причине МЩ должны быть оборудованы датчиками, оценивающими давление грунта в режиме реального времени. В случае падения давления в рабочей камере, в нее с помощью насосов вводится бентонит, который находится под постоянным давлением в специальном резервуаре. Таким образом, восстанавливается первоначальное давление в рабочей камере МЩ.

Принципиальная технологическая схема работы конвейерных весов

Рис. 9.14. Принципиальная технологическая схема работы конвейерных весов: 1 — конвейерная лента; 2 — транспортируемый грунт; 3 — роликовые опоры весов; 4 — ленточные весы; 5 — сенсор скорости; 6—измерительный преобразователь скорости, нагрузки, веса и усилия подачи ленты

Таким образом, при строительстве тоннелей МЩ с грунтопригру- зом в целях минимизации осадок дневной поверхности и грунтового массива необходимы:

  • • контроль за давлением грунтопригруза в рабочей камере МЩ;
  • • поддержание стабильного давления в рабочей камере за счет однородности и пластичности разработанного грунта, что достигается смешиванием его с пеной, полимерами, бентонитом или водой для создавия материала пастообразной консистенции;
  • • контролируемый отбор грунта из рабочей камеры МЩ шнековым конвейером с применением точных технологий, таких как конвейерные весы, радиоизотопный прибор для измерения плотности;
  • • нагнетание строительного раствора в технологический зазор за тоннельной обделкой;
  • • непрерывный мониторинг осадок поверхности земли в течение всего процесса проходки тоннеля МЩ.

При строительстве тоннелей методом «продавливания» (см. п. 4.1) для устранения возможных сдвижений и деформаций поверхности земли принимают меры по предотвращению выпусков грунта в забое, так же как при щитовой проходке. В связи с отсутствием строительного зазора оседания поверхности земли при продавливании в общем случае меньше, чем при щитовой проходке, однако могут возникнуть значительные горизонтальные сдвижения и деформации грунтового массива. Для уменьшения величин горизонтальных сдвижений и деформаций стремятся снизить силы трения между обделкой и грунтом, применяя металлические антифрикционные ленты, нагнетая за обделку бентонитовую суспензию или другие маловязкие составы.

В отечественной и мировой практике тоннелестроения большое распространение получила технология строительства тоннелей под защитой экрана из труб (см. п. 4.3). Трубы залавливают по контуру тоннельной выработки, и они позволяют снизить сдвижения и деформации грунтового массива до незначительных величин.

Одной из наиболее радикальных мер по устранению или уменьшению сдвижений и деформаций поверхности земли при строительстве городских тоннелей является применение специальных способов закрепления неустойчивых грунтов. Так, химическим закреплением грунта над тоннельной выработкой создается несущий свод, воспринимающий давление вышележащей грунтовой толщи и практически устраняющий сдвижения и деформации поверхности земли (см. и. 8.3).

Приведенные конструктивно-технологические меры способствуют уменьшению сдвижений и деформаций грунтового массива и поверхности земли при строительстве тоннелей, однако не всегда позволяют полностью исключить нарушения поверхностных условий. В связи с этим в ряде случаев принимают специальные меры по защите фундаментов зданий и инженерных коммуникаций, расположенных в зоне влияния тоннеля.

Защитные меры по сохранности зданий и подземных коммуникаций. В зависимости от ожидаемых деформаций поверхности земли в основании зданий принимают профилактические и конструктивные защитные меры по обеспечению их нормальной эксплуатации в период строительства тоннеля. Необходимость в принятии защитных мер возникает при ожидаемых наклонах в мульде сдвижения более 3 мм/м, радиусах кривизны менее 20 км и горизонтальных деформациях более 1 мм/с. Принимаемые меры должны гарантировать полную или частичную защиту зданий от влияния тоннельных выработок. При частичной защите допускаются незначительные повреждения конструктивных элементов здания, которые могут быть легко устранены при проведении текущего ремонта.

Профилактические меры заключаются в обеспечении надежного опирания перекрытий на стены и прогоны, в заполнении дверных и оконных проемов кирпичной кладкой или обрамлении их стальными обоймами, что исключает концентрацию напряжений в стенах, усилении отдельных конструктивных элементов, инъектировании трещин и пр.

Конструктивные меры предусматривают усиление несущих конструкций зданий и их фундаментов, причем здание в целом может взаимодействовать с грунтом основания по жесткой или податливой схеме.

В первом случае несущая конструкция здания обладает повышенной жесткостью и должна воспринимать все дополнительные усилия, возникающие в связи с деформациями поверхности земли. В гибких зданиях, работающих в режиме совместных деформаций с грунтом основания, такие дополнительные усилия не возникают.

В зависимости от расположения тоннельной вырботки относительно зданий принимают различные конструктивные меры. Если тоннель располагается непосредственно под фундаментами зданий, конструктивные меры предусматривают:

  • • разделение зданий на отсеки деформационными швами;
  • • усиление зданий (отсеков) тяжами, поясами, распорками, плитными фундаментами;
  • • выравнивание наземной части зданий (отсеков) домкратами;
  • • устройство защитного зонта из свай над тоннелем.

Разделение на отсеки рекомендуется для зданий большой длины и

сложного очертания в плане, попадающих на крайние участки или на участки перегиба мульды сдвижения, где возникают наибольшие искривления и горизонтальные деформации поверхности земли. Здания разделяют на отсеки деформационными (осадочными) швами шириной 50-60 мм, которые желательно располагать рядом со сквозными поперечными стенами. Разрезка здания делается по вертикали на всю высоту стен от кровли до подошвы фундамента. При этом каждый из отсеков должен обладать достаточной жесткостью и работать как самостоятельное здание.

Здания или отсеки усиляют тяжами и поясами при значительных искривлениях земной поверхности. Тяжи и распределительные пояса устанавливают по периметру наружных и внутренних несущих стен с одной или с двух сторон в нескольких уровнях по высоте здания. Иногда вместо тяжей применяют пояса и распорки.

При расположении зданий в зоне отрицательной кривизны мульды сдвижения для защиты его от горизонтальных деформаций устраивают сплошные плитные фундаменты. Жесткая железобетонная плита, забетонированная непосредственно на грунте или в уровне подвального перекрытия, воспринимает дополнительные усилия, вызванные горизонтальными деформациями растяжения или сжатия земной поверхности.

В ряде случаев для сохранения зданий их поддерживают системой гидравлических домкратов, установленных между фундаментной и надземной частями. По мере возрастания осадок основания здание поднимают на высоту, равную величине осадки, удерживая его надземную часть на требуемом уровне.

Схема защитного зонта из свай над строящимся тоннелем

Рис. 9.15. Схема защитного зонта из свай над строящимся тоннелем:

1 — фундаменты здания; 2 — буровые сваи; 3 -— тоннель

Эффективным средством защиты зданий от деформаций основания может служить устройство защитного зонта над тоннелем. Буровые сваи, наклоненные под разными углами и заложенные на различную глубину, армируют грунт, увеличивая его сцепление и внутреннее трение, и предотвращают деформации основания под зданиями. На рис. 9.15 показан пример такого зонта из буровых свай над тоннелем, пройденным под многоэтажным зданием.

Для защиты зданий, расположенных рядом со строящимися тоннелями, принимают защитные меры, включающие: разработку траншей вдоль стен здания; устройство ограждающих стен; искусственное закрепление грунта под фундаментами здания.

Прокладка траншей, служащих своеобразными компенсаторами, значительно уменьшает влияние на здания горизонтальных деформаций грунтового массива. Траншеи шириной 0,4-0,6 м вскрывают вдоль стен зданий перпендикулярно направлениям горизонтальных деформаций и заглубляют на 20-30 см ниже подошвы фундаментов. Разработанные траншеи засыпают шлаком, опилками или заполняют бентонитовой суспензией и перекрывают плитами.

Более эффективным средством защиты является устройство ограждающих стен между фундаментом здания и тоннелем. Эти ограждения возводят из стального шпунта, буронабивных свай или сплошных траншейных стен, сооруженных по технологии «стена в грунте» (см. п. 6.2). При необходимости ограждающие стены раскрепляют грунтовыми анкерами.

Ограждающие стены, заглубленные ниже предполагаемой плоскости скольжения грунта, ограничивают размеры мульды сдвижения и предотвращают деформации зданий. Так, в Москве для защиты зданий по трассе тоннелей метрополитена мелкого заложения, сооружаемых щитовым способом, неоднократно устраивали ограждающие шпунтовые стены (рис. 9.17).

В тех случаях, когда устройство ограждающих стен оказывается недостаточной мерой, здания защищают подведением под них дополнительного свайного фундамента. Его устраивают обычно в виде системы винтовых или буронабивных свай, основание которых опирается на ненарушенный грунт, и мощных ростверков из балок и стенок. Такие фундаменты воспринимают дополнительные нагрузки от здания, вызванные деформациями основания при строительстве тоннеля.

В случае строительства тоннелей рядом со зданиями, фундаменты которых заложены в несвязных малоустойчивых грунтах, нередко применяют искусственное закрепление основания под фундаментами: силикатизацию, смолизацию и струйную цементацию (см. п. 8.3). При этом нагрузка от здания передается на участок грунтового массива, находящийся вне мульды сдвижения (рис. 9.18).

При строительстве тоннелей близ существующих подземных сооружений часто требуется их защита от влияния горнопроходческих работ. В зависимости от взаимного расположения строящегося тоннеля и существующих подземных сооружений усиливают конструкции последних, закрепляют грунтовый массив или подводят под сооружения специальные фундаменты.

Для защиты подземных коммуникаций, попадающих в зону влияния строящегося тоннеля, принимают профилактические и конструктивные меры.

Профилактические меры сводятся к предварительному вскрытию и тщательному обследованию подземных коммуникаций, а также предусматривают возможность их переключения или перекладки в случае аварии.

Схема расположения ограждающих стен

Рис. 9.17. Схема расположения ограждающих стен: 1 — тоннель;

2 — шпунтовая стена; 3 — предполагаемая плоскость скольжения

Конструктивные меры включают работы по усилению конструкций трубопроводов постановкой муфт, хомутов, компенсаторов и пр. Во время строительства тоннеля за состоянием подземных коммуникаций ведут систематические наблюдения. В случае необходимости их выравнивают клиньями, подбивают песком, подвешивают на временных опорах и т.п. Таким образом, принятие комплексных конструктивно-технологических и защитных мер дает возможность значительно уменьшить деформации поверхности земли и обеспечить сохранность зданий и инженерных коммуникаций по трассе строящегося тоннеля.

Искусственное закрепление грунта под фундаментом здания

Рис. 9.18. Искусственное закрепление грунта под фундаментом здания:

1 — фундамент; 2 — скважины; 3 — закрепленный грунт; 4 — тоннель

Конструктивные меры включают работы по усилению конструкций трубопроводов постановкой муфт, хомутов, компенсаторов и пр. Во время строительства тоннеля за состоянием подземных коммуникаций ведут систематические наблюдения. В случае необходимости их выравнивают клиньями, подбивают песком, подвешивают на временных опорах и т.п. Таким образом, принятие комплексных конструктивно-технологических и защитных мер дает возможность значительно уменьшить деформации поверхности земли и обеспечить сохранность зданий и инженерных коммуникаций по трассе строящегося тоннеля.

 
Посмотреть оригинал