Тоннели и станции Санкт-Петербургского метрополитена располагаются в плотных протерозойских и кембрийских глинах. Выше находятся водонасыщенные четвертичные отложения. Эскалаторные тонне­ли пересекают эти грунты. На сегодняшний день реализовано несколько способов сооружения этих тон­нелей и конструкций обделок для снижения деформаций дневной поверхности. Классическим способом строительства эскалаторных тоннелей для Санкт-Петербурга является способ замораживания водона­сыщенных грунтов для их стабилизации. Крепление выполняется сборной тюбинговой обделкой. Разработка малоосадочных технологий строительства позволила реализовать метод комплексной стабили­зации грунтов с закреплением грунта методом струйной технологии и замораживания в пределах за­крепленных грунтов, проходку эскалаторных тоннелей при помощи тоннелепроходческого механизиро­ванного щита с грунтовым пригрузом забоя, а также строительство под защитой «стены в грунте» в со­четании с методом струйной цементации.

Существующие в XX в. технологии стро­ительства станционных узлов метрополи­тена и наклонных эскалаторных тоннелей приводили к значительным деформациям вышележащей толщи грунта и располо­женных на ней зданий и сооружений, приводящим иногда к нарушению кон­струкций и к полному выводу сооружений из эксплуатации.

Осадки земной поверхности над тоннелями

Рассмотрим особенности решения проб­лем, связанных с технологией строительства эскалаторных тоннелей, для такого мегапо­лиса, которым является Санкт-Петербург. Опыт строительства метрополитена свиде­тельствует о том, что наибольшее влияние на величину осадок дневной поверхности при использовании традиционной («классичес­кой») технологии, основанной на методе контурного рассольного замораживания, оказывало строительство эскалаторных тон­нелей с разработкой забоя вручную (отбой­ными молотками) и креплением сборной обделкой из чугунных тюбингов. Эта техно­логия (замораживание грунта) 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 40-60 мм (рис. 1).

 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.

Комбинированная технология с малой осадкой

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 иницийровали 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».

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 (рис. 2) 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.

Эффективность использования предлагаемой комбинированной технологии была подтверждена сопоставлением данных экспериментальных исследований деформаций дневной поверхности с «классической» тех­нологией. Данные измерений (рис. 3) пока­зали, что при использовании комбиниро­ванной технологии смещения земной по­верхности были в 5 раз меньше.

Рис. 3. Кривая формирования деформаций дневной поверхности по одному из реперов

Наиболее эффективной для минимизации деформаций дневной поверхности показала себя схема строительства эскалаторного тон­неля под защитой «стены в грунте» и закреп­ления грунтов методом струйной цемента­ции. Данные методы обеспечения устойчиво­сти массива и противофильтрационной заве­сы не новы и применялись при строительст­ве объектов метрополитена с 90-х гг. XX в. Но к настоящему времени применяемая механи­зация и отработанная технология ведения работ позволили, на примере строительства второго выхода со станции «Спортивная», получить действительно функциональные ограждающие конструкции.

По периметру эскалаторного тоннеля вы­полняется «стена в грунте» из монолитного железобетона (рис. 4). Внутри контура, огра­ниченного «стеной в грунте» ниже горизон­тального диаметра сооружаемого тоннеля, выполняется закрепление грунтов методом струйной цементации.

Рис. 4. Сооружение эскалаторного тоннеля под защитой «стены в грунте» и закрепления грунтов струйной цементацией

 Проходка эскалаторного тоннеля ведется с механизированной разработкой забоя экскава­тором и возведением временной аркобетон­ной крепи (установка кольцевых арок из двута­вра и заполнением межрамного пространства набрызг-бетоном). Возведение постоянной об­делки начинается после проходки тоннеля с временной крепью на всю длину. По внутрен­ней поверхности временной крепи наносится обмазочная гидроизоляция. Возведете посто­янной обделки начинается с монтажа арматур­ных каркасов с последующей укладкой бетона сначала в нижнюю часть сечения тоннеля, а за­тем в верхнюю. Отставание бетонирования верхней части регламентируется условиями размещения и обслуживания опалубочного оборудования. Такая схема горнопроходческих работ была применена и при проходке эскала­торного тоннеля на станции «Звенигородская».

Проходка эскалаторного тоннеля по рас­смотренной технологии закончена в декаб­ре 2013 г., при этом деформации поверхнос­ти составили 15-20 мм.

К сожалению, данная схема строительства имеет ограниченное применение в условиях Санкт-Петербурга - сравнительно незначи­тельной мощностью четвертичных отложе­ний. Для рассмотренных условий мощность четвертичных отложений составила 20 м при средней величине по Санкт-Петербургу 40 м.

Механизированная технология с ТПМК

Другое направление снижения осадок дневной поверхности при сооружении эска­латорных тоннелей связано с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), представляющих собой комплекс 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» (рис. 5), «Адмиралтейская» и «Спасская».

Рис. 5. Начало проходки эскалаторного тоннеля станции «Обводный канал»

Эскалаторный тоннель выполнен в сборной железобетонной обделке диаметром 10,4 м (см. рис. 5), толщина блоков 500 мм. Блочная железобетонная обделка - из водонепроница­емого бетона с резиновым уплотнением сты­ков. Для монтажа обделки использовался эрек­тор. Соединение элементов кольца между со­бой и с ранее установленным кольцом осу­ществлено болтами. Заобделочное простран­ство заполнялось специальным водонепрони­цаемым двухкомпонентным быстротвердеющим раствором, смешивание которого осу­ществлялось в момент его нагнетания.

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» (рис. 6).

Рис. 6. Деформации дневной поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей щитовым способом, мм: 1 - ст. «Обводный канал», 2 - ст. «Адмиралтей­ская», 3 - ст. «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». Для этого обделка тоннеля осна­щалась контрольно-измерительной аппарату­рой для определения усилий в обделке. 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.

Для оперативного отслеживания процессов, происходящих в контролируемом грунтовом массиве, зданиях на дневной поверхности, по­падающих в зону влияния строительства, и своевременного учета полученных результа­тов мониторинга в корректировке технологи­ческих параметров проходки подземных со­оружений были использованы автоматизиро­ванные системы мониторинга.

Применение автоматизированной системы мониторинга грунтового массива позволило полностью контролировать динамику развития деформационных процессов (рис. 7) и измене­ние его напряженного состояния по датчикам гидростатического давления. Причем одновре­менное наблюдение за положением стержней эксгензометров, установленных на разных глу­бинах, сделало возможным отследить распро­странение фронта вертикальных деформаций от контура тоннеля до дневной поверхности. На основе результатов мониторинга принима­лись решения о проведении работ по компен­сационному нагнетанию в основание зданий, попавших в зону влияния строительства эскала­торного тоннеля станции «Адмиралтейская».

Рис. 7. Кривые формирования деформаций массива по одной из скважин, отражающие все операции технологического цикла

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.

Измерение усилий в сборной железобетон­ной обделке эскалаторных тоннелей показа­ло, что в среднем нормальные тангенциаль­ные напряжения составляют около 5,3 МПа при максимальных значениях 15,3 МПа. По всему периметру обделки на внешнем и вну­треннем контуре напряжения, как правило, сжимающие. Напряжения вдоль оси тоннеля незначительны - 0,8-0,9 МПа.

Применение временной кольцевой крепи из двутавра с заполнением межрамного про­странства бетоном или набрызг-бетоном ис­ключает из работы постоянную монолитную железобетонную обделку. Исследования формирования напряженно-деформирован­ного состояния обделок при строительстве эскалаторных тоннелей на станциях «Звени­городская» и «Спортивная-2» показали, что постоянная обделка воспринимает усилия только от собственного веса.

Заключение

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.

Статья опубликована в журнале "Метро и тоннели" №1, 2015. www.tar-rus.ru