Научно-технические разработки строительства тоннелей метро в Санкт-Петербурге

Декабрь, 2016
Эксперт: Заместитель генерального директора ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» Константин Безродный

О научно-технических разработках в области проектирования подземных сооружений и тоннелей метрополитена ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга в интервью порталу «Подземный эксперт» рассказал заместитель генерального директора института К. П. Безродный

Метро Балтийская в Петербурге

Станция метро «Балтийская» петербургское метро

- Константин Петрович, низкие темпы развития Петербургского метрополитена зачастую объясняются сложной геологией. Насколько это оправдано?

- Инженерно-геологические условия строительства Петербургского метрополитена достаточно разнообразные. 

С поверхности мощностью до 40 м развиты озерно-ледниковые отложения и две морены, лужская и московская, разделенные толщей межледниковых отложений водно-ледникового генезиса. Вся толща четвертичных отложений водонасыщена, грунты чрезвычайно неустойчивы. 

Под четвертичными отложениями располагается мощный слой плотных сухих протерозойских глин, который является удобной средой для строительства и эксплуатации подземных выработок метрополитена.

Строительство метрополитена глубокого заложения, которое ведется в Санкт-Петербурге на глубинах 50 – 70 м, вызывает смещения дневной поверхности земли на большой площади, составляющей несколько гектаров городской территории.

Существующие до настоящего времени технологии строительства станционных узлов метрополитена и наклонных эскалаторных тоннелей вызывали значительные сдвижения вышележащей толщи грунта и деформации расположенных на ней зданий и сооружений, приводящем иногда к нарушению их конструкций и к полному выводу сооружений из эксплуатации.

Расселение аварийных зданий и их ремонт требуют значительных материальных затрат и времени на восстановление зданий.

Фасад здания - вход в метро Адмиралтейская

Фасад здания - стация метро «Адмиралтейская» петербургское метро

Особенно нетерпимо такое положение при строительстве метро в исторической части города, когда мемориальные здания и архитектурные памятники подвергаются полному разрушению. 

Поэтому чрезвычайно важным является разработка и внедрение технологий по предотвращению недопустимых деформаций существующих зданий и сооружений при строительстве метрополитена и других подземных сооружений в центральных районах Санкт-Петербурга.

- Каковы основные причины деформаций, приводящих к разрушению зданий на поверхности?

- Сдвижение грунта происходит вследствие нескольких причин. Мгновенное проседание грунта, вызванное проходкой тоннеля, зависит от величины смещения контура будущей выработки впереди забоя и расстояния от забоя до места установки обделки.

Мгновенные смещения контура будущей выработки начинаются на определенном расстоянии от забоя и заканчиваются тогда, когда обделка противодействует дальнейшему радиальному смещению грунтов. Нередко возникают сдвижения, вызванные деформацией обделки тоннеля.

Длительные сдвижения - проседания грунта - возникают в результате консолидации грунта и деформаций ползучести грунта.

Фото тоннель - Дунайский проспект

Строительство тоннеля - Фрунзенский радиус
Автор: Дмитрий Шабашев

- Расскажите, пожалуйста, о разработках института, позволяющих нивелировать негативные факторы и сохранить окружающую застройку?

- Для минимизации влияния строительства тоннелей метрополитена закрытым способом  на дневную поверхность разработаны новые конструкции, технологии, а также геотехническое сопровождение строительства.

В четвертичных водонасыщенных неустойчивых грунтах необходимы работы по комплексной стабилизации грунтов с применением струйной технологии и подмораживания при проходке эскалаторных тоннелей, сооружение эскалаторных тоннелей тоннелепроходческим механизированным комплексом (ТПМК) с грунтовым пригрузом забоя, сооружение перегонных тоннелей ТПМК с гидравлическим пригрузом забоя, а  двухпутных - ТПМК с грунтовым пригрузом.

Что касается плотных глин, здесь эффективно применение обжатых на породу обделок: перегонных тоннелей, односводчатых и колонных станций; опережающее закрепление грунтов инъекционными фибергласовыми анкерами (косвенное армирование), а также компенсационное инъектирование в зоны сдвижения и разуплотнения грунтов для недопущения превышения разности осадок зданий и сооружений, превышающих нормативные.

Кроме того, инъектирование ведется в зоны сдвижения и разуплотнения грунтов под зданиями, и на сегодняшний день разработано несколько способов ведения данных работ.

Котлован Южная

Котлован на стройплощадке станции петербургского метрополитена «Южная»

 - В чем особенности созданной вами программы геотехнического мониторинга? 

-  В 2007 году была создана «Комплексная программа работ по разработке и внедрению новых конструктивно-технологических решений с применением набрызг-бетонной крепи и опережающих забой инъекционных анкеров при строительстве подземных выработок Санкт-Петербургского метрополитена», которая была успешно реализована.

В рамках данной программы был разработан проект сооружения экспериментальной выработки с постоянной обделкой из набрызг-бетона.

В результате проектирования, строительства и проведенного геотехнического мониторинга приняты территориальные нормы на проектирование и строительство подземных выработок Петербургского метрополитена в кембрийских глинах с постоянной набрызг-бетонной обделкой.

На шахте № 620 был реализован проект строительства руддвора (подземной  выработки непосредственно около ствола шахты) и вентиляционного тоннеля в кембрийских глинах с применением малоосадочной технологии.

Впереди забоя в сводовой части сооружали экран из труб длиной 7 м, который омоноличивается инъекционным раствором, и инъекционные фибергласовые анкера длиной 14 м. Проходку осуществляли полностью механизированным способом с жесткой арочнобетонной крепью.

Во время строительства проводили геотехнический мониторинг. Устойчивость выработки при заданных конструктивно-технологических параметрах была обеспечена.

Отмечу, что на основании опытного проектирования, строительства, результатов геотехнического мониторинга разрабатываются территориальные нормы по проектированию и сооружению подземных выработок Петербургского метрополитена в кембрийских глинах с применением опережающих забой экранов из труб и инъекционных анкеров.

Строительство тоннеля метро Беговая

Строительство станции метро «Беговая»

- Какие инновационные технологии строительства тоннелей и станций метрополитена применялись в Санкт-Петербурге?

- Опыт строительства метрополитена свидетельствует о том, что наибольшее влияние на величину осадок дневной поверхности при использовании традиционной технологии, основанной на методе контурного рассольного замораживания, оказывало сооружение эскалаторных тоннелей с разработкой забоя вручную и креплением сборной обделкой из чугунных тюбингов.

Технология замораживания приводила к деструктуризации грунта, что обычно сказывалось на увеличении осадок при его оттаивании уже после завершения проходки.

В процессе пассивного замораживания наблюдались значительные деформации обделки пройденного участка тоннеля и поднятие поверхности над ним на величину до 40-60мм.

После завершения работ по первичному и контрольному нагнетанию за обделку процесс замораживания прекращался.

Во время оттаивания ледопородного цилиндра, сформировавшегося при замораживании, происходили значительные деформации обделки тоннеля и осадки земной поверхности.

Максимальные величины деформаций дневной поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей составляют 550 мм.

Следствием этого являлись значительные повреждения и разрушения существующих зданий и сооружений.

Снижение влияния технологических процессов, сопровождающих строительство метрополитена, на состояние земной поверхности и связанную с этим сохранность зданий и сооружений имеет уникальное культурно-историческое значение.

В некоторых случаях отсутствие технологического решения для снижения деформаций дневной поверхности откладывало на десятилетия строительство объектов метрополитена в исторической части Санкт-Петербурга.

Наиболее перспективным направлением решения этих проблем следует считать разработку малоосадочных технологий строительства выработок метрополитенов и внедрение конструктивных параметров их крепления, обеспечивающих минимизацию воздействия процессов строительства на деформации дневной поверхности.

Значительные смещения земной поверхности при использовании рассольного замораживания инициировали поиск и проверку новых технологий закрепления грунтового массива при сооружении эскалаторных тоннелей. Одной из таких технологий является так называемая комбинированная технология, сочетающая струйную технологию и рассольное замораживание грунта, реализованная при строительстве эскалаторного тоннеля станции «Звенигородская».

Станция метро Звенигорордская

Станциям метро «Звенигородская»
Источник: photosight.ru

Закрепление массива jet-сваями осуществлено рядами вертикальных скважин, пробуриваемых вдоль оси наклонного хода. Цементация производилась зонально, обеспечивая создание грунтоцементного ограждения необходимой толщины.

Для обеспечения безопасности проходки, наряду с цементацией было выполнено страховочное контурное замораживание наклонными скважинами, перекрывающее возможные «окна» в цементном камне.

Замораживание выполнялось из расчета недопущения выхода контура заморозки за пределы закрепленного массива для обеспечения минимальных деформаций в процессе замораживания и последующего оттаивания. Разработка забоя осуществлялась экскаватором и отбойными молотками.

Крепление тоннеля выполнялось в два этапа. При проходке возводили временную обделку, представленную стальными кольцами из двутавра с заполнением пространства между ними тяжелым бетоном. После проходки на всю длину, на временную обделку наносили обмазочную гидроизоляцию и возводили постоянную монолитную железобетонную обделку.

Закрепление массива грунта

Закрепление вмещающего тоннель массива: 1-40 – замораживающие скважины; Тс1-Тс2 – наблюдательные термометрические скважины; Г1-Г4 - гидрогеологические скважины

Эффективность использованной комбинированной технологии была подтверждена сопоставлением данных исследований деформаций дневной поверхности с «классической» технологией. Данные измерений показали, что при применении комбинированной технологии смещения земной поверхности были в 5 раз меньше.

Другое направление снижения осадок дневной поверхности при сооружении эскалаторных тоннелей связано с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), с системой грунтопригруза, способной поддерживать забой, уравновешивая давление грунта и воды, а также воздействовать на грунт посредством нагнетания химических реагентов.

ТПМК производства немецкой фирмы «Херренкнехт АГ» были применены для строительства эскалаторных тоннелей станции «Обводный канал», «Адмиралтейская» и «Спасская».

Эскалаторный тоннель выполнен в сборной железобетонной обделке диаметром 10,4 м, толщина блоков 500 мм.

Блочная железобетонная обделка – из водонепроницаемого бетона с резиновым уплотнением стыков. Заобделочное пространство заполняли специальным водонепроницаемым быстротвердеющим раствором, смешивание которого осуществлялось в момент его нагнетания. 

Строительство - Обводный канал

Начало проходки эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал»

- Механизированная проходка наклонных ходов доказала свою эффективность? 

- Совершенствование технологии сооружения эскалаторных тоннелей с помощью ТПМК позволило добиться значительного снижения величины осадок дневной поверхности с 95 мм на станции «Обводный канал» до 46 мм на станции «Адмиралтейская» и 25 мм на станции «Спасская».

Результаты выполненных исследований показывают, что даже в крайне неблагоприятных горно-геологических условиях Санкт-Петербурга негативное воздействие на осадки земной поверхности и связанный с этим процесс разрушения зданий, попадающих в зону мульды сдвижения, может быть снижено с помощью предлагаемых технологий сооружения и конструкций обделок наклонных эскалаторных тоннелей.

Во всех случаях при строительстве эскалаторных тоннелей проводили геотехнический мониторинг, в состав которого кроме контроля деформаций дневной поверхности входило определение напряженно-деформированного состояния системы «обделка - грунтовый массив».

В грунтовом массиве в предварительно пробуренных вертикальных скважинах размещались датчики контроля гидростатического давления и экстензометры для контроля напряженно-деформированного  состояния массива от контура тоннеля до дневной поверхности.

Строительство эскалаторных тоннелей

Деформации дневной поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей щитовым способом, мм 1 – ст. «Обводный канал», 2 – ст. «Адмиралтейская», 3 – ст. «Спасская»

На основе результатов мониторинга принималось решение о проведении работ по компенсационному нагнетанию в основание зданий, попавших в зону влияния строительства эскалаторного тоннеля станции «Адмиралтейская».

Использование современных автоматизированных систем геотехнического мониторинга грунтового массива (в комплексе с традиционными методами контроля) при проходке подземных сооружений различного назначения, особенно в условиях городской застройки, является эффективным элементом технологического процесса, позволяющим значительно снизить риски возникновения аварийных ситуаций и повысить эффективность защитных геотехнических мероприятий.

Полученные результаты напряженно-деформированного состояния системы «обделка – грунтовый массив» были сопоставлены с расчетными величинами, вычисленными методами механики сплошной среды.

Сопоставление показало, что при применяемых технологиях и конструкциях в данных инженерно-геологических условиях расчеты методами механики сплошной среды отражают реальную работу обделок подземных сооружений с вмещающим массивом.

Внедряемые малоосадочные технологии строительства метрополитена позволили на порядок и более снизить осадки дневной поверхности по сравнению с классической технологией строительства эскалаторных тоннелей методом замораживания.

Станция метро Обводный канал

Станция метро «Обводный канал»

- Расскажите, пожалуйста, подробнее о программе «Совершенствование технологий сооружения и постоянных конструкций Петербургского метрополитена»?

- В 2013 г. была разработана комплексная программа: «Совершенствование технологий сооружения и постоянных конструкций Петербургского метрополитена», в которой определены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы для достижения поставленной цели.

При сооружении станций закрытого типа глубокого заложения в коренных протерозойских и кембрийских глинах боковые тоннели проходят механизированными тоннелепроходческими комплексами «на проход» в составе перегонных тоннелей.

Средний зал сооружают с опережающими забой экраном и инъекционными фибергласовыми анкерами, набрызг-бетонной крепью, являющейся элементом постоянной обделки. Далее возводят внутренний слой железобетонной обделки.Таким образом, сооружение среднего зала будет полностью механизировано.

Строительство станций пилонного типа глубокого заложения в коренных протерозойских и кембрийских глинах может идти несколькими способами.

Первый вариант: боковые тоннели проходят механизированным тоннелепроходческими комплексами «на проход» в составе перегонных тоннелей.

Затем боковые тоннели дорабатывают до необходимого диаметра со сборной железобетонной обделкой и осуществляют сооружение среднего тоннеля с опережающими забой экраном и фиберглассовыми инъекционными анкерами с крепью из набрызг-бетона с арками, либо арко-бетона, причем крепь является элементом постоянной обделки.

Затем сооружают второй слой монолитной, железобетонной обделки и проходы между средним и боковыми тоннелями.

При таком способе можно механизировать все технологические процессы.

Строительство Адмиралтейской

Строительство станции метро «Адмиралтейская»

Во втором варианте боковые тоннели проходят с опережающими забой экраном и фибергласовыми инъекционными анкерами и креплением выработки набрызг-бетоном с арками, либо арко-бетоном, которые являются элементом постоянной конструкции, затем сооружают внутренний слой обделки из монолитного железобетона.

Средний тоннель также сооружают с опережающими забой экраном в своде и инъекционными фибергласовыми анкерами, креплением набрызг-бетоном с арками, либо арко-бетоном, причем крепь является наружным слоем обделки, внутренний слой из монолитного железобетона, затем сооружают ходки между средним и боковым тоннелями.

В ранее разработанную технологию строительства и конструкцию односводчатых станций вводятся опережающее забой крепление грунтового массива фибергласовыми инъекционными анкерами и механизированная разработка грунта при сооружении верхнего свода.

Эскалаторные тоннели предлагается строить с помощью ТПМК, что обеспечивает удешевление конструкции обделки за счет уменьшения армирования и исключает компенсационное инъектирование за счет более тщательного заполнения зазора между обделкой и грунтом и более оптимальными режимами грунтопригруза.

Сооружение тоннеля с предварительной комплексной стабилизацией четвертичных отложений производится с помощью усовершенствованных технологии и методов контроля комплексной стабилизации грунтов.

Применяется пленочная гидроизоляция с дренирующим слоем из геотекстиля, уменьшается армирование внутреннего слоя обделки, производится учет арочно-бетонной крепи, как элемента постоянной конструкции тоннеля.

Тоннель Адлер

Строительство тоннеля в Адлере
Источник: blogsochi.ru 

- Малоосадочные технологии – перспективное направление подземного строительства?

- Безусловно. Строительство новых подземных линий метрополитена будет проходить и в местах плотной городской застройки, где сохранение зданий и сооружений, особенно в исторической части города, чрезвычайно важно.

Поэтому необходимо и далее развивать и разрабатывать малоосадочные технологии – такие, как: комплексная стабилизация водонасыщенных четвертичных отложений, устройство опережающих забой экранов из труб и фибергласовые инъекционные анкера при проходке в плотных глинах; проходка тоннелей в четвертичных водонасыщенных грунтах с пригрузом забоя с помощью ТПМК, компенсационное инъектирование в грунтовый массив под зданиями и сооружениями в места разуплотнений при проходке подземных выработок, обжатые на породу обделки.

- Какие материалы разработаны специалистами института?

- С целью удешевления конструкций на основе бетона Ленметрогипротранс осуществил разработку фибробетона и фибро-набрызг-бетона армированных синтетическим строительным волокном «BARCHIP»,  фибробетона и фибро-набрызг-бетона армированных базальтовым волокном; бетонных конструкций армированных неметаллической композитной арматурой периодического профиля; фибробетона армированного стальной арматурой; фибробетона армированного неметаллической композитной арматурой.

- Какие проекты – помимо объектов петербургского метрополитена – были  реализованы институтом в последние годы?

- Громадный объем работ был выполнен при строительстве автодорожных и железнодорожных тоннелей. И, прежде всего, это тоннели Туапсе - Адлер, обход г. Сочи и трасса Адлер - Красная Поляна. Для обеспечения безопасности при проходке тоннелей вели горно-экологический мониторинг, который затем переходил и на период эксплуатации.

Дополнительные материалы по теме:

Комплексное проектирование является основой современного градостроительства читать статью 

В Петербурге денег нет, зато хватает и мощностей, и ресурсов читать статью 

Отправить комментарий

Защитный код
Обновить