Инновации в тоннелестроении

 

Данная технология впервые  была апробирована на строительстве  подземной автостоянки вместимостью 111 автомобилей в центральном  районе г. Токио [33]. Стоянка расположена  под проезжей частью автомагистрали вблизи зданий, непосредственно под  инженерными коммуникациями (электрическими кабелями, газопроводом, водопроводом, канализацией, телефонными кабелями).

 

Стоянка заложена в толще  аллювиальных песков и глинистых  грунтов. Уровень грунтовых вод  находится на глубине 3 - 4 м от поверхности  земли. При выборе метода строительства  традиционные технологии устройства ограждения стен оказались неприемлемыми из-за невозможности перекладок подземных  коммуникаций. Была предложена технология BSM с применением прямоугольного коробчатого щита с двухбарабанным рабочим органом и поэтапным ведением работ (рис. 18).

 

На I этапе прямоугольным щитом была пройдена вспомогательная выработка длиной 163 м, низ которой совпадает с серединой лотковой плиты подземной автостоянки. Из этой выработки забурили восстающие вертикальные скважины, через которые выполнили укрепительную цементацию грунта под подземными коммуникациями.

 

На II этапе была пройдена верхняя вспомогательная выработка, верх которой совпадает с верхом плиты перекрытия автостоянки, а низ - на 0,25 - 1,20 м превышает отметку верха нижней вспомогательной. Обделки обеих выработок объединили между собой при помощи скользящих стальных листов, а грунт из зазора между обделками удалили.

 

Работы III этапа включали устройство ограждающих буроопускных свай рядом с объединенной выработкой и непосредственно из выработки. В пробуренные скважины диаметром 0,45 м опускали двутавровые балки с последующим обетонированием. На внутренний ряд свай опирали покрытие проезжей части, по которому пропускали наземные транспортные средства в период строительства подземной автостоянки.

 

Работы IV этапа предусматривали последовательную разработку грунта по схеме «сверху - вниз» между ограждающими конструкциями.

 

На V этапе выполняли бетонирование конструкций подземной стоянки по схеме «снизу- вверх». Готовую конструкцию засыпали грунтом, полностью восстанавливая поверхностные условия.

 

В процессе строительства  проводили мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций подземной  автостоянки и окружающего грунтового массива. Максимальные осадки грунта после  проходки нижней вспомогательной выработки  составили 5 мм, а верхней - 15 мм; горизонтальные смещения не превышали 1,1 мм.

 

Опыт строительства  подземной автостоянки с применением  технологии BSM оказался успешным и намечается к использованию при сооружении других подземных объектов в Японии.

 

Применение технологии MMST предусматривает щитовую проходку нескольких прямоугольных выработок по контуру будущего подземного сооружения. Каждая из выработок закрепляется стальными коробами, а затем заполняется бетонной смесью, образуя элементы обделки подземного сооружения. Отдельные сталебетонные элементы объединяют между собой. Под защитой замкнутой обделки разрабатывают грунтовое ядро и возводят внутренние конструкции подземного сооружения (рис. 19).

 

К преимуществам данной технологии по сравнению с традиционными  относятся: рациональная форма и  размеры поперечного сечения; возможность  строительства подземного сооружения с минимальной глубиной заложения (до 1 м), что практически невозможно при проходке щитами кругового поперечного  сечения; исключение нарушений на поверхности  земли.

 

Новая технология запатентована  в 1991 г. и апробирована в 1997 г. на опытном  участке строительства системы  вентиляционных тоннелей А, В и С  длиной соответственно 75,4; 77,7; 60,0 м, примыкающих  к вентиляционной станции на трассе экспрессной автомагистрали Транс-Кавасаки [32]. Между вентиляционными тоннелями  предусмотрены четыре шахтных ствола.

 

Тоннели имеют прямоугольное  очертание пролетом от 13,6 до 14,8 м  и высотой от 14,2 до 15,6 м. Глубина  заложения тоннелей изменяется от 4,7 до 7,3 м.

 

Проведению опытной  проходки предшествовали крупномасштабные эксперименты на физических моделях  в масштабе 1:2. Измеряли напряженно-деформированное  состояние обделки и грунтового массива.

 

Работы по строительству  тоннелей начали с проходки вспомогательных  контурных выработок прямоугольного сечения механизированными щитами двух типов: «горизонтальным» шириной 7,0 м и высотой 2,5 м и «вертикальным» шириной 2,5 м и высотой 7,5 м. Всего  на строительстве каждого тоннеля  использовали по два щита.

 

В тоннеле А работали щиты с барабанным рабочим органом  и бентонитовым пригрузом, в тоннеле В - с комбинированным рабочим органом и грунтовым пригрузом, а в тоннеле С - с роторным рабочим органом и бентонитовым пригрузом.

 

Контур каждой выработки  закрепляли коробчатой конструкцией длиной 1,2 м из стальных листов, усиленных  ребрами жесткости. Короба соединяли  между собой на сварке.

 

Проходку вспомогательных  выработок вели со средней скоростью 2,4 м/сут и максимальной 4,8 м/сут. Сравнительно невысокие темпы проходки объясняются небольшой длиной выработок, что не позволяет обеспечить режим скоростной проходки. На начальной стадии максимальные отклонения щитов от проектной трассы достигали 195 мм (по вертикали) и 124 мм (в плане), а затем не превышали 100 мм.

 

После проходки вспомогательных  выработок разрабатывали грунтовые  целики между ними шириной от 0,5 до 1,0 м в вертикальном направлении  и от 0,8 до 1,6 м в горизонтальном направлении. Образующиеся зазоры герметизировали  с помощью скользящих стальных листов, выдвигаемых домкратными устройствами, и нагнетанием в грунт стабилизирующих  составов. После этого вспомогательные  выработки заполняли бетонной смесью, создавая сплошную сталебетонную обделку  основного тоннеля. Под защитой  обделки разрабатывали грунтовое  ядро с помощью гусеничного экскаватора  и возводили внутренние конструкции.

 

В настоящее время  применение технологии MMST предусматривается на строительстве четырехполосного автодорожного тоннеля по трассе автомагистрали в районе г. Токио [32]. Наличие плотной капитальной застройки и интенсивного уличного движения затрудняют применение траншейного способа работ, традиционной щитовой проходки и НАТМ, при которых в данных условиях неизбежны нарушения поверхности.

 

Рассмотренные выше новые  технологии строительства городских  подземных сооружений мелкого заложения  в слабоустойчивых грунтах характеризуются  достаточно высокой эффективностью и обеспечивают минимизацию нарушений  поверхностных условий.

 

Выбор той или иной технологии определяется видом подземного сооружения, его размерами, конструктивными  особенностями, а также градостроительными, топографическими и инженерно-геологическими условиями района строительства.

3.3. Меры по защите тоннелей от подземных вод

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Стабилизационные меры на стадии строительства

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Измерения расхода воды в доливочных скважинах позволили сделать следующие выводы:

 

- среднесуточный расход  в установившемся режиме составлял  4,65×106 м3/с на 1 м скважины;