ЧЕРНОВИК. Актуальность работы
 Скачать 2.75 Mb.
|
ВведениеАктуальность работы. Развитие крупных городов связано с комплексным освоением подземного пространства. Это объекты метрополитена, транспортные и сервисные тоннели, подземные склады и хранилища, объекты инфраструктуры, магазины и другие подземные сооружения. Использование подземного пространства мегаполисов создает условия для значительного снижения негативных воздействий промышленной и служебной инфраструктур, а также решает проблему городского транспорта, ряд социальных и экологических проблем. В то же время строительство подземных сооружений может оказать и негативное воздействие на здания и объекты городской инфраструктуры, расположенные в зоне их подработки горно-строительными работами, которое проявляется в виде значительных осадок, повреждений и разрушений зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, особенно при строительстве станций метрополитенов и наземно-подземных транспортных узлов. Это требует расселения домов, попадающих в зону влияния, что в современных экономических условиях недопустимо. Строительство любого подземного сооружения приводит к изменению напряженного состояния вмещающего массива, сопровождающегося его деформациями, которые распространяются до земной поверхности; их величина и характер зависят от многих факторов и определяются на основании геомеханического анализа. Решение таких важных задач подземного строительства, как обоснование устойчивости подземного сооружения, выбор типа и рациональных параметров обделок, прогноз развития деформаций земной поверхности, невозможно без достоверного прогноза геомеханических процессов, проявляющихся в виде деформаций породного массива. Специфика геомеханических процессов, возникающих при строительстве подземных сооружений, определяется инженерно-геологическими условиями, закономерностями деформирования вмещающих пород, а также конфигурацией подземного сооружения и последовательностью ведения строительных работ. Полнота учета этих данных предопределяет достоверность прогноза геомеханических процессов в породном массиве при строительстве подземных сооружений. Первые попытки прогноза деформаций земной поверхности в основном базировались на результатах натурных наблюдений, которые были обобщены в виде эмпирических зависимостей. Общим недостатком данных методов является неопределенность при выборе параметров аналитических зависимостей, диапазон изменения которых достаточно широк, а четких рекомендаций по выбору численных показателей авторами работ не предлагается. В итоге данные методы используются либо для предварительного прогноза деформаций земной поверхности, что позволяет выявить зоны влияния строительства подземных сооружений, либо на хорошо изученных участках строительства, где имеется задел по натурным исследованиям. Значительное внимание было уделено и развитию аналитических методов прогноза деформаций земной поверхности. Основным ограничением таких методов является упрощенный подход как к учету процесса строительства подземных сооружений, так и к особенностям механического состояния вмещающего породного массива. В последние годы были предприняты попытки учесть различные особенности поведения пород, однако модели поведения сред так и остались достаточно простыми и не позволяли полностью преодолеть недостатки, присущие первым работам в этой области. В целом можно отметить, что существующие методы прогноза деформаций породного массива и земной поверхности, основанные на полуэмпирических или аналитических методах расчета, не позволяют в полной мере описать геомеханические процессы, происходящие при строительстве подземных сооружений сложной пространственной конфигурации. В существующих нормативных документах как федерального (СНиП, СП), так и регионального значения (ТСН), регламентирующих вопросы проектирования подземных сооружений в условиях плотной городской застройки, проблема прогноза деформаций земной поверхности при строительстве подземных сооружений рассматривается весьма условно, на основании эмпирических или полуаналитических зависимостей, некоторые из которых весьма спорны. Основным недостатком предложенных в нормативной литературе методик прогноза оседания земной поверхности является косвенный учет особенностей строительства подземных сооружений, что не позволяет адаптировать их под так называемые малоосадочные технологии строительства, получившие в последнее время широкое распространение. Учет сложной пространственной конфигурации подземных сооружений в положениях существующих нормативных документов отсутствует, что ведет к искажению результатов прогноза деформаций земной поверхности. Прогноз деформаций породного массива и поверхности земли в основном должен выполняться на основании использования результатов численного моделирования строительства подземных сооружений. Этому способствует как развитие представлений о процессах деформирования пород, так и появление проработанных геомеханических моделей поведения породных массивов. Применение численных методов анализа позволяет избежать ряда недостатков эмпирических, полуэмпирических и аналитических методов, однако научные исследования, выполненные в этом направлении, разрознены, требуют обобщения и дополнения и практически не затрагивают прогноза геомеханических процессов при строительстве сооружений сложной пространственной конфигурации. Особое внимание необходимо уделить вопросам разработки геомеханических моделей поведения твердых аргиллитоподобных глинистых пород, что позволит повысить достоверность прогноза геомеханических процессов при строительстве подземных сооружений, расположенных в таких средах, а также способствует развитию методологических вопросов прогноза деформаций земной поверхности при строительстве подземных сооружений сложной пространственной конфигурации. Предлагаемая работа направлена на изучение развития геомеханических процессов в породном массиве при строительстве сложных пространственных подземных сооружений (станционных комплексов метрополитенов, пересадочных узлов станционных комплексов и др.) в твердых аргиллитоподобных глинистых породах, механическое поведение которых в немалой степени определяется их слоистой структурой. При этом основной практический акцент в работе смещен в сторону прогноза деформаций земной поверхности. Обобщая вышесказанное, можно отметить, что достоверный прогноз геомеханических процессов и деформаций земной поверхности, возникающих при строительстве подземных сооружений сложной пространственной конфигурации в условиях плотной городской застройки, следует признать актуальной научной проблемой при освоении подземного пространства мегаполисов. Анализ причин развития деформаций грунтового массива при строительстве подземных сооружений Строительство тоннелей, как было отмечено выше, независимо от применяемой технологии их проведения вызывают осадки земной поверхности. Точная форма мульды оседания земной поверхности, вызванная строительством тоннеля, зависит от многих факторов, но в общем виде она может быть представлена в виде следующей поверхности (рисунок 1.1).  Рисунок 1.1 – Форма мульды оседания земной поверхности, вызванная строительством транспортного тоннеля [1] Традиционно считается, что мульда оседания земной поверхности над строящимся подземным сооружением формируется следующим образом. Максимальное оседание обычно формируется непосредственно над осью подземного сооружения. Отклонение максимального значения оседания земной поверхности от оси подземного сооружения может быть вызвано сложным геологическим строением, наличием зданий или сооружений на земной поверхности и др. факторами, которые вносят некоторую несимметричность в формирование мульды оседания. Однако по мере увеличения глубины заложения подземного сооружения данное влияние внешних факторов на формирование мульды оседания земной поверхности снижается. Мульда оседания земной поверхности распространяется во все стороны от строящегося подземного сооружения, при этом начало развития оседания земной поверхности начинается далеко впереди лба забоя сооружения, а затухание процесса сдвижения происходит позади лба забоя. Мульда оседания земной поверхности тем шире, а значение оседания земной поверхности тем выше, чем больше протяженность рассматриваемого подземного сооружения. Основные причины развития оседания земной поверхности при строительстве подземных сооружений можно разделить на три категории: Мгновенные осадки. Эта категория осадок реализуется на этапе строительства подземного сооружения. Их величина зависит от устойчивости лба забоя подземного сооружения, скорости ведения проходческих работ, времени, необходимого для установки обделки и, в случае использования сборной обделки, времени, необходимого на тампонаж пространства между обделкой и породой. Мгновенные осадки вдоль продольной оси подземного сооружения начинаются на некотором расстоянии впереди лба забоя и прекращаются после твердения и набора прочности тампонажного раствора. Осадки, вызванные деформациями тоннельной обделки. Формируются за счет преимущественно упругой работы материала обделки подземного сооружения и смыкания стыков сборной обделки. Однако при строительстве подземных сооружений в породах, не способных оказать существенный отпор деформирования обделки, она приобретает эллипсовидную форму, что влечет за собой увеличение оседания земной поверхности непосредственно над продольной осью подземного сооружения. Длительные осадки. Осадки земной поверхности, которые вызваны развитием длительных геомеханических процессов в породном массиве и ползучести материала обделки. Однако осадки, вызванные этими процессами, весьма ограничены и при достаточной жесткости обделки не вносят существенного вклада в их развитие. Также дополнительные осадки земной поверхности могут быть связаны с изменением положения уровня подземных вод или рассеиванием избыточного порового давления, вызванного строительством подземного сооружения. Как показывает практика, мгновенные осадки реализуются в течении первых нескольких дней в зависимости от типа породы. С практической точки зрения можно считать, что они реализуются мгновенно. Мгновенные осадки развиваются на стадии строительства подземного сооружения. Осадки в длительном периоде могут развиваться от нескольких недель и месяцев для песков и мягких глин, до нескольких лет для плотных глин. Отношение величины мгновенных осадок к величине осадок в длительном периоде зависит от многих факторов и с трудом поддается обобщению. Согласно натурным экспериментальным исследованиям, для типичного участка около 60-90% осадок реализуется мгновенно [2-4]. В процессе развития длительных осадок земной поверхности происходит расширение мульды оседания и ее выполаживание, что благоприятно сказывается на объектах, расположенных на земной поверхности. Оседание земной поверхности, вызванное консолидацией грунта в окрестности тоннеля, в первую очередь связано с проницаемостью обделки, получаемой при строительстве тоннеля традиционным способом. В некоторых случаях специально организуется дренажная система вокруг тоннеля, предназначенная для отвода воды и снижения нагрузки, действующей на обделку тоннеля. Данный процесс приводит к локальному снижению уровня грунтовых вод и уплотнению грунта. В породах с низкими значениями коэффициента фильтрации формируется избыточное поровое давление, которое рассеивается во времени. Но так как скорость ведения проходческих работ незначительна, консолидация грунта происходит на небольшом расстоянии от забоя тоннеля. В породном массиве, сложенном грунтами с высокими показателями коэффициента фильтрации, процессы рассеивания порового давления и консолидации происходят впереди забоя тоннеля достаточно быстро, что может привести к значительному оседанию земной поверхности. Рассмотрим причины развития деформаций породного контура подземных сооружений на стадии их строительства. При строительстве подземных сооружений горным способом можно выделить следующие основные причины радиальных смещений контура подземного сооружения: смещения контура подземного сооружения в направлении незакрепленного участка его забоя; радиальные смещения контура подземного сооружения за счет деформаций временной крепи до момента ввода постоянной обделки в работу; радиальные смещения породного контура за счет деформации постоянной обделки. Смещения незакрепленного участка контура тоннеля очевидны, деформации грунтового массива реализуются в сторону наименьшего отпора. Величины оседания земной поверхности могут быть снижены за счет уменьшения расстояние от лба забоя до участка установки временной крепи или постоянной обделки, а также за счет внедрения опережающих видов крепления. При применении набрызгбетонной обделки необходимо обращать внимание на то, что набор прочности такой обделки растянут во времени, а жесткость обделки в период твердения недостаточна, чтобы сопротивляться смещениям породного контура. При щитовой проходке выделяют следующие основные источники развития радиальных смещений контура подземного сооружения, приводящих к изменению размера его сечения и, как следствие, оседанию земной поверхности: изменение объема сечения подземного сооружение, вызванное деформациями породного массива впереди лба забоя. При строительстве подземного сооружения порода перемещается в сторону незакрепленного лба забоя. Этот процесс связан с изменением напряженного состояния породного массива. Дополнительные напряжения, возникающие в окрестности подземного сооружения, приводят к реализации радиальных к плоскости лба забоя смещений породы, то есть реализуется выдавливание породы в сторону наименьшего отпора; происходит изменение размера сечения подземного сооружения, связанное с конструкцией исполнительного органа щитового комплекса. Диаметр исполнительного органа щитового комплекса всегда больше внешнего диаметра оболочки проходческого щита, что приводит к перебору сечения подземного сооружения. Так как величина перебора сечения подземного сооружения обычно незначительная, пространство между оболочкой проходческого щита и контуром породного обнажения закрывается; происходит изменение размера сечения подземного сооружения, связанные с конструкцией проходческого щита. Для снижения трения между оболочкой щита и контуром породного обнажения проходческий щит может быть выполнен в виде усеченного конуса. Если не будут применяться какие-либо компенсационные меры, направленные на стабилизацию деформаций породного массива в направлении нормальном к оболочке щита, реализуются радиальные смещения контура породного обнажения на величину разницы между внешними диаметрами оболочки щита в носовой части и хвостовой части; происходит изменение размера сечения тоннеля на этапе монтажа постоянной обделки. Для повышения безопасности работ монтаж кольца сборной обделки выполняется под защитой хвостовой части проходческого щита. Таким образом увеличивается зазор между обделкой и породным контуром на величину зазора между обделкой и оболочкой щита и толщиной оболочки в хвостовой части щита. Для предотвращения дополнительных деформаций обычной практикой является выполнение тампонажных работ, направленных на заполнение пространства между обделкой и породным контуром или монтаж обделки по технологии, предполагающей обжатие обделки на породу; радиальные смещения породного контура подземного сооружения за счет деформаций смонтированного кольца обделки. Эти величины обычно незначительны и могут не учитываться при расчетах оседания земной поверхности. Анализируя основные источники развития радиальных смещений контура подземного сооружения, можно отметить, что развитие деформаций породного контура в уровне лба забоя можно стабилизировать, и их влияние на общую картину деформирования окажется незначительным. Если размер исполнительного органа значительно больше диаметра оболочки проходческого щита, то это может вызвать значительные потери объема сечения тоннеля, которые могут быть устранены за счет изменения конструкции исполнительного органа. Деформации, вызванные конструкцией оболочки щитового комплекса, можно минимизировать за счет применения компенсационных мер. Деформации контура подземного сооружения на этапе выполнения тампонажных работ в значительной степени зависят от метода выполнения тампонажа (через хвостовую часть оболочки щита или через тампонажные отверстия в обделке) и качества выполняемых работ. Считается, что данный источник оказывает наибольшее воздействие на величину деформаций породного массива в окрестности подземного сооружения. После того как выполнен монтаж обделки, а тампонажный раствор набрал проектную прочность и жесткость, радиальные смещения контура тоннеля практически не изменяются. Однако несмотря на то, что смещения контура подземного сооружения больше не изменяются, дополнительное оседание земной поверхности может произойти за счет уплотнения породы.  |