Оценка взаимного влияния подземных сооружений метрополитена при строительстве и эксплуатации

Аннотация

Одним из основных источников техногенного риска для сооружений метрополитена являются негативные последствия освоения подземного пространства города. Строительство новых подземных, а также наземных сооружений оказывает влияние на действующие тоннели. Это влияние зависит от взаимного расположения объектов и от способов производства строительно-монтажных работ.

В связи с этим подчеркивается необходимость проведения комплексной оценки взаимного влияния зданий и сооружений при осуществлении нового строительства, при реконструкции, демонтажах и капитальных ремонтах. Рассматриваются пути осуществления такой оценки — предварительные геотехнические расчеты, контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) обделок подземных сооружений в составе геотехнического мониторинга, а также развитие других перспективных методов.

В качестве основного метода, позволяющего оценить взаимное влияние подземных сооружений при их строительстве и эксплуатации, приводится метод контроля НДС конструкций прямыми геомеханическими наблюдениями в составе геотехнического мониторинга. Приводятся некоторые результаты натурных исследований НДС при строительстве станции пилонного типа «Проспект Славы» Санкт-Петербургского метрополитена.

В качестве перспективных методов для решения задач геотехнического мониторинга сооружений метрополитена и других подземных сооружений при их эксплуатации рассматриваются основные инженерно-геофизические методы, среди которых как наиболее оперативные выделяются контактные и бесконтактные эмиссионные методы инженерной геофизики, обсуждаются результаты обработки и визуализации данных. Приводится анализ причин снижения эксплуатационной надежности подземных сооружений метрополитена, а также примеры дефектов и повреждений элементов конструкций, вызванных взаимным влиянием искусственных сооружений метрополитена в Санкт-Петербурге. Дается геомеханическое обоснование применения эмиссионных методов для обнаружения и локализации участков смещения грунтов и трещинообразования в конструкциях и вмещающих породах на ранних стадиях при изменениях напряженного состояния массива в зонах опорного давления с целью оценки взаимного влияния подземных сооружений.

Введение

В период эксплуатации все подземные сооружения испытывают существенное воздействие техногенных факторов хозяйственной деятельности мегаполиса и природно-техногенных факторов, обусловленных геологическими, гидрогеологическими, геотехническими и другими условиями. Далеко не единственным, но одним из главных источников техногенного риска при сохранении эксплуатационной надежности существующих подземныхи наземных объектов в Санкт-Петербурге является негативное влияние развития подземного пространства города без надлежащего геотехнического обоснования.

В первую очередь вопрос обеспечения эксплуатационной надежности относится к искусственным сооружениям метрополитена — по ним ежедневно перемещается большое количество пассажиров, и аварийные ситуации недопустимы. Дальнейшее развитие метрополитена в Санкт-Петербурге потребует значительных объемов строительства вблизи уже действующих подземных объектов, так как в первую очередь развитие сети метрополитена и ее «сгущение» ведет к увеличению количества пересадочных узлов, обслуживающих сначала две, затем три,четыре,а иногда более линий [6]. Так на проектируемой «Кольцевой» линии Петербургского метрополитена большинство станций будут пересадочными. 

Из опыта строительства и эксплуатации метрополитенов известно, что стенень влияния  строительства подземного объекта на действующие тоннели метрополитена зависит как от взаимного расположения подземного объекта и сушествующих тоннелей мегрополитена, так и от способов производства работ при возведении подземного объекта [3]. В полной мере это относится и к влиянию строительства подземных и наземных объектов в охранных зонах метрополитена на эксплуатируемые подземные сооружения в Санкт-Петербурге |17]. Исходя из имеющегося опыта, возведение крупных объектов в технических зонах сооружений метрополитена не может не иметь негагивных последствий [5]. В связи с этим при осуществлении
нового строительства, а также при реконструкции, демонтажах и капитальных ремонтах подземных, наземных и наземно-подземных объектов, вблизи эксплуатируемых сооружений метрополитена во избежание ухудшения их технического состояния должна проводиться оценка взаимного влияния. 

Предварительно такая оценка должна осуществляться  посредством геотехнических  расчетов с использованием как аналитических, так и численных методов с построением  плоских и объемных конечно-элементных моделей вмещающеего грунтового массива с существующими и вновь возводимыми (реконструируемыми или демонтируемыми} сооружениями с учетом этапности производства строительно-монтажных работ. На основании геотехнических расчетов должны определяться границы зоны влияния строительства, вычисляться количественные характеристики влияния (дополнительные величины напряженно-деформированного состояния от основания проектируемого сооружения до существующих подземных сооружений). 

В пределах зоны влияния должен выполняться геотехнический мониторинг, причем в комплекс работ должны быть включены как методы контроля состояния строительных конструкций сооружения, так и методы контроля состояния вмещающего грунтового массива. 

В случае неблагоприятного прогноза и выявления недопустимых величин деформаций и запасов прочности конструкций ведется корректировка проектных решений и разработка мероприятий по обеспечению сохранности и безопасной эксплуатации объекта.

Геотехнический мониторинг подземных сооружений

Основным методом, позволяющим оценить взаимное влияние подземных сооружений при их строительстве и эксплуатации, является метод контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций прямыми геомеханическими  наблюдениями в составе геотехнического мониторинга. 

Контроль НДС конструкций подземных сооружений осуществляется с использованием различного типа контрольно измерительной аппаратуры для определения величин местных деформаций (относительных деформаций), определения смещений внутреннего контура, определения усилий в строительных конструкциях сооружения, контроля состояния существующих и вновь возникающих трещин, деформационных швов и швов между конструктивными элементами строительных конструкций. Дополнительные усилия в строительных конструкциях сооружений метрополитена, являются суммарными от горного давления, температурных воздействий, гидростатическога давления и воздействия других подземных сооружений и зданий на поверхности, а также вибродинамических воздействий от подвижного состава.

Наиболее сложными подземными сооружениями метрополитснов, с точки зрения перераспределения НДС обделок в процессе строительства, являются станционные комплексы. При поэтапной проходке станционных тоннелей и постепенном раскрытии станции на полное сечение нормальные и тангенициальные напряжения в обделке, по результатам численного моделирования, изменяются в два раза и более [4], появляются растягивающие напряжения.

Определить достоверность такого прогноза позволяют только результаты натурных исследований НДС. Так, при строительстве станции пилонного типа "Проспект Славы", обделка боковых станционных тоннелей была оснащена струнными датчиками, когорые размещались на внутреннем и внешнем контуре сборной обделки из железобетонных тюбингов. Кольца с тюбингами, в которых были установлены датчики, располагались как по оси будущих проемов, так и в пределах пилонов.  Станция расположена в плотных аргиллитоподобных котлинских глинах твердой консистенции. 

Результаты исследований показали, что поочередная переборка боковых станционных тоннелей с пилот-тоннелей диаметром 5,5 до сечения 8,5 метров не оказали влияния друг на друга. При раскрытии проемов между станционными тоннелями приращение усилий в обделке боковых тоннелей в пределах пилона на  расстоянии трех метров от края проема составило 35—40% (рис. 2). А в кольцах, попадающих на ось проема, приращение НДС не превысило 10%. Результаты натурных исследований показали значительную разницу в качественном изменении НДС боковых станционных тоннелей по сравнению с результатом численного моделирования [4] даже с учетом различного материала обделки ( при моделировании рассматривалась обделка из чугунных тюбингов). 

Эмиссионные методы инженерной геофизики

В состав работ по обследованию грунтов и конструкций подземных сооружений на  основании требований ГОСТ 31937-2011 "Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния" и СП 11-105-97  "Часть VI. Правила производства геофизических исследований" включаются методы инженерной геофизики. Основными инженерно-геофизическими методами для решения задач геотехнического мониторинга сооружений метрополитена и других подземных сооружений при их эксплуатации являются  модификации инженерной сейсморазведки, электроразведки, георадиолокации и термометрии, а также методы геофизического исследования скважин. Большинство методов являются достаточно апробированными и позволяют определять контролируемые параметры с большой точностью. В то же время они требуют значительного времени для подготовки и, собственно, проведения измерений — размотки кос, подключения оборудования к удаленным источникам питания, заземления электродов, устновки датчикови и др., а также при камеральной обработке и анализе результатов. В связи сэтим снижается их производительность, Наиболее оперативными методами инженерной геофизики эвлются эмиссионные методы, такие как контактный метод акустической эмиссии (А) и бесконтактный метод естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ). Указанные методы могут применяться для обнаружения и локализации участков смещения грунтов и трещинообразования на ранних стадиях их подготовки при изменениях напряженног осостояния массива по СП 11-105-7 "Часть VI. Правила  производства геофизических исследований», в том числе в геологических условиях Санкт-Петербурга [12]. Для решения задачи оценки взаимного влияния подземных сооружений эмиссионные методы инженерной геофизики представляются наиболее перспективными.

Опыт использования бесконтактных эмиссионных методов инженерной геофизики свидетельствует о возможностях оперативного выполнения инструментальной диагностики тоннелей и вмещающих их грунтов со скоростью до 1-2 км. в сутки, включая время на обработку и анализ результатов. Применять эмиссионные методы инженерной геофизики  необходимо как первичные - для обнаружения и локализации наиболее проблемных областей (по градиентам НДС) с целью выполнения в дальнейшем комплексных обследований, а при необходимости геотехнического мониторинга.

Недостатки бесконтактных эмисионных методов является влияние на данные, получаемые в ходе измерений высокого уровня помех в действующих и строящихся сооружений.  В настоящее время нет единой методики обработки и интерпретации даных эмисионных методов, и прведеннные методы геофизики до сих пор находятся в стадии развития. 

Целесообразность применения эмиссионных методов для контроля и разработки прогнозных критериев состояния вмещающих породных массивов и конструкций подземных сооружений подтверждается помимо натурных исследований, результатами лабораторных экспериментов по механоэлектромагнитным преобразованиям на образцах различных горных пород [8, 19]. В ходе таких экспериментов получены характерные виды спектров излучения для каждой из стадий напряженно-деформированного состояния, начиная от стадии упругого деформирования и заканчивая стадией разрушения образца. При регистрации ЕЭМИ в условиях проходки выработок в различных инженерно-геологических условнях горным способом (т.е. без применения механизированных проходческих щитов, а, следовательно, с минимальным уровнем промышленных помех) фиксируются аналогичные сигналы. Они, как и сигналы, получаемые при лабораторных экспериментах на образцах горных пород, различаются по количеству отдельных импульсов за фиксированный интервал времени, частотам, амплитуде, длительности и форме, что связывается с разными видами и стадиями деформирования структурно-неоднородного массива горных пород [14]. 

Контролируемые характеристики сигналов (амплитуда,частога, количество импульсов, их форма и т.д.) варьируются в зависимости от горно-геологических, геотехнических и других условий, а также режимов эксплуатации и строительства подземных сооружений, и на данный момент эти данные никак не систематизированы.Нами предприняты попытки такой  систематизации, в частности, при разработке критериев и методики идентификации геодинамической активности по электромагнитному излучению вблизи выработок неглубокого  заложения. В ходе проведения многоразовых наблюдений в режиме мониторинга устанавливаются отклонения НДС по амплитудным уровням спекторов сигналов ЕЭМИ, а количественная оценка становится возможной при наличии на профилях наблюдений станций контроля НДС с помощью  датчиков-деформометров. Взаимная увязка данных регистрации вариаций ЕЭМИ и напряженного состояния  используется в проводимых нами исслдованиях в различных условиях.

Являясь эффективным техническим средством неразрушающего контроля, эмиссионные методы способны регистрировать и отображать даже незначительные изменения напряженно-деформированного состояния как конструкций, так и вмещающего грунтового массива при строительстве и последующей эксплуатации подземных сооружений.

Геомеханическое обоснование применения эмиссионных методов

Из основ механики горных пород известно, что проходка горных выработок вызывает изменение естественного поля напряжений массива горных пород. В общем случае характер образующегося поля напряжений вокруг выработок зависит от совокупного действия многих взаимосвязанных факторов: пространственно-геометрических параметров выработок, особенностей естественного поля напряжений в нетронутом массиве и характеристик воздействий на породы вокруг выработки и в процессе проходкии и  дальнейшей эксплуатации.

Процессы изменения естественного поля напряжений происходят в области массива, называемой зоной влияния горной выработки, причем нередко этой зоной может являться вся толща вышележащих пород вплоть до дневной поверхности и значительные области массива со стороны подошвы выработки. С точки зрения напряжений в массиве пород вокруг выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки, как область, в которой породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения выработки, и зону опорного давления,как область,в которой напряжения превышают уровень первоначального поля напряжения, и являющуюся  зоной концентрации напряжений вокруг выработки. В процессе проходки подземных выработок вмещающий массив попеременно может оказываться в зоне контентрации напряжений или в зоне разгрузки [16].

Читать статью полностью

Статья опубликована в журнале "Геотехника" №1-2 2018

Авторы: 

Лебедев М.О. Заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Романевич К.В. Старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Басов А.Д. Ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Список литературы: 

1.  Басов. А.Д., Романевич,К.В., 2016. Применение метода регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ) для решения инженерно-геологическихи геотехнических задач в тоннелестроении. Метро и тоннели, №6,с. 32-35.
2. Беспалько, А.А., Яворович,Л.В., Виитман,Е.В., Федотов, П.И., Штирц,В.А., 2010. Механоэлектрические преобразования в массиве горных пород Таштагольского рудника при взрывныхвоздействиях. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №2,с. 53—61
3. Гарбер,В.А., 1998. Метрополитен. Долговечность тоннельных конструкцийв условиях эксплуатации и городского строительства. Издательский Центр ТА Инжиниринг, М.
4. 4Деменков, П.А., Карасев, М.А., Потемкин, Д.А., 2011. Геомеханическая оценка поэтапного строительства пилонной станции метрополитена глубокого заложения. Записки горного института,Т. 190,с. 220-224.
5. Козин, Е.Г., Тулина, Н.В., Шнейдер, О.А., 2006. Технический надзор за строительством в охранных зонах метрополитена. Метро и тоннели, №2, с. 9-11.
6.  Кулагин, Н.И., 1996. Пересадочные узлына линиях метрополитена глубокого заложения. Центр «ТИМР»,М.
7. Кулагин, Н.И., Безродный, К.П., Лебедев, М.О., 2003. Длительныеисследования напряженно-деформированного состояния несущих конструкций на станциях Санкт-Петербургского метрополитена в процессе эксплуатации. Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерского дела и геодезии. Записки горного института,Т. 156,с. 11-17.
8. Курленя, М.В., Вострецов, А.Г., Кулаков, Г.И., Яковицкая, Г.Е., 2000. Регистрацияи обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. Изд-во СО РАН, Новосибирск.
9.  Меркин,В.Е., Хохлов, И.Н., Зерцалов, М.Г., Устинов, Д.В., Казаченко, С.А., 2014. Исследование взаимного влияния пересекающихся тоннелей при различных способах их возведения. Транспортное строительство, №12, с. 12—15.
10.  Опарин,В.Н., Тапсиев, А.П., Розенбаум, М.А., Рева, В.Н., Бадтиев,Б.П., Тропп, Э.А., Чанышев, А.И., 2008. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость выработок,под.ред. Гузеева М.А. Изд-во СО РАН.Новосибирск.
11. Протосеня, А.Г., Деменков, П.А, Козин,Е.Т., 2005. Некоторые задачи геомеханики приосвоении подземного пространствав северо-западном регионе России. Проблемыи перспективы развития горныхнаук, Труды международной конференции,Т. 1, Геомеханика, Новосибирск,с. 222—225,
12. Романевич,К.В., Басов, А.Д., 2016. О возможности применения метода регистрации естественного электромагнитного излучения для контроля устойчивости выработок Петербургского метрополитена. Фундаментальныеи прикладные вопросыгорныхнаук,Т. 1. №3,с. 163—167.
13. .Романевич, К.В., 2017. Визуализация данных ЕЭМИ для решения задач контроля и прогнозирования состояния массивов горных породи конструкций капитальных горных выработок. Метро и тоннели, №1-2,с. 12-17.
14. Романевич,К.В., Басов, А.Д., 2018. Регистрация естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ)горных пород в зонах опорного давления подземных сооружений. Современные методы изучения и освоения недр Евразии, ГеоЕвразия 2018, Труды Международной геолого-геофизической конференции, Москва,с. 627—631. 1
15. Саммаль, А.С., Панкратенко, А.Н., Нгуен,К., 2015. Прогноз изменения напряженного состояния обделки тоннеля при проведении вблизи него выработки методом микротоннелирования. Транспортное строительство, №1, с. 14-17.
16. Турчанинов,И.А., Иофис, М.А., Каспарьян, Э.В., 1977. Основы механики горных пород. 
17. Улицкий, В.М., Шашкин,А.Г., Шашкин, К.Г., 2010. Геотехническое сопровождение развития городов (практическое пособие по проектированию зданий и подземных сооружений в условиях плотной застройки). Стройиздат Северо-Запад, Группа компаний «Геореконструкция», СПб.
18. Фотиева, Н.Н., Булычев, Н.С., Фирсанов,Е.С., Деев, П.В., 2009. Оценка несущей способности параллельных тоннелей произвольного поперечного сечения. Горный информационно-аналитический бюллетень, №3,с. 359-363.
19. Bahat D. Rabinovitch A., Frid V., 2005. Tensile fracturing in rocks, Tectonofractographic and Electromagnetic Radiation Methods, Springer, Heidebberg.