Прогнозирование деформаций дневной поверхности при проходке туннелей

В последние годы во многих городах-мегаполисах наблюдается заметное увеличение объемов строительства, в том числе крупных торговых центров, многопрофильных зданий с развитой подземной частью, автомагистралей. Такая тенденция требует поиска возможностей для более экономичного использования как наземного, так и подземного пространства. Освоение подземного пространства — одно из перспективнейших и эффективных направлений в решении территориальных, транспортных и экологических проблем крупных городов.

В связи с увеличением стоимости земли, вызванным постоянно растущим на нее спросом, в настоящее время уже практически не ведется строительства гражданских объектов, которые не имели бы существенной подземной части. Затраты на землю, таким образом, компенсируются как постоянно растущей многоэтажностью зданий, так и максимальным использованием подземного пространства.

На сегодняшний день существует ряд примеров строительства новых зданий в непосредственной близости от уже существующих строений. Такое сосредоточение строящихся: объектов на ограниченных пространствах указывает на необходимость переосмысления существующих: подходов к. строительству отдельных зданий и сооружений, а именно к обеспечению безопасности строительства и эксплуатации зданий в дальнейшем. В период инженерных изысканий уже становится недостаточным рассмотрение одного сооружения в отдельности — строящееся здание должно восприниматься как часть системы, включающей в себя также и другие, находящиеся в возможной зоне влияния, здания и сооружения.

Необходимо отметить, что разработка грунта для строительства цокольной части здания часто проводится в непосредственной близости от уже существующего строения. Поэтому деформации, вызванные такого рода строительством, могут привести близлежащие строения в аварийное состояние. Не менее опасны деформации земной поверхности, вызванные строительством подземных сооружений, в частности туннелей. В* ряде случаев разработка подземного пространства является' не только причиной деформаций зданий и сооружений, но и образования провалов, неожиданных интенсивных оседаний отдельных участков" поверхности, возникновения? открытых трещин, глубоких мульд, уступов и т. д. [20].

Для? ослабленияотрицательных последствий деформационных процессов необходимо уметь достаточно надежно прогнозировать развитие этого процесса в пространстве и времени. Прогнозирование возможных негативных процессовразработка и выполнение необходимых мероприятий по защите существующей застройки в зоне подземного строительства является весьма важнойи актуальной? задачей для проектировщиков и строителей еще и потому, — что кроме создания очевидных неудобстви опасности дляжителей, затратына ремонт и восстановление пострадавших зданищ. а такжена возмещение ущерба их: собственникам, становятсясопоставимыми со стоимостью самого подземного сооружения [82].

Достоверный и оперативный прогноз влияния подземного строительства: на деформации существующих, наземных зданий, и сооружений особенно важен на стадии предпроектных проработок различных вариантов дальнейшего строительства подземных сооружений и их. сравнительного технико-экономического анализа, когда выполнение трудоемких детальных расчетов — по каждому из вариантов практически невозможно из-за дефицита времени и средств.

Целью настоящей работы являлось изучение роли отдельных факторов, влияющих: на деформации: (осадки, крены) зданий и сооружений при проходке вблизи них туннелей неглубокого заложения, а также получение достаточно надежных корреляционных зависимостей, связывающих наиболее значимые факторы с величиной и характером распределения указанных деформаций. Получение таких зависимостей позволит уже на ранних стадиях проектированияоценивать степень опасности предполагаемого строительства для существующих наземных построек и, при необходимости, принимать соответствующие меры для обеспечения их безопасного состояния:

Поставленная задача решается методами математического моделирования. В качестве компьютерной: программы для выполнения численных расчетов использована известная швейцарская программа Ъ. БСЯЬ. РС, разработанная специально для анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов [110]. Объектом исследований является поведение грунтового массива (его напряженно-деформированное состояние) с модулем деформации до 50 МПа при проходке в нем туннелей мелкого заложения, одним из проявлений которого является деформирование дневной поверхности.

Задача решается как в упругой, так и в упруго-пластическойпостановках, что делает область применения полученных результатов1 более широкой. Так как непосредственное получение представительных частных зависимостей величин осадок дневной поверхности от каждого из влияющих факторов потребовало бы выполнения очень большого числа расчетов, то в работе для этой цели используется методика рационального планированияисследований (так называемый метод «латинских квадратов»). Данный метод позволяет сократить число численных расчетов при максимальном сохранении реальной степени влияния того-или иного фактора на конечный результат. Для обработки, результатов расчетов и нахождения корреляционных связей между исходными данными (факторами) и величинами деформаций грунта применяются существующие статистические методы [3, 4, 12] и разработанные специализированные программы< [104].

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Полученные расчетные зависимости для/ определения осадки и наклоновдневной поверхности в предположенииупруго-пластического поведения грунтового массива.

2. Обоснование аппроксимации формы кривых, описывающих осадку точек поверхности, при проходке туннелей в рассмотренных типах грунтов экспоненциальной зависимостью.

3. Обоснование независимости ширины мульды оседания от основных влияющих на величину максимальной осадки поверхности факторов для конкретного типа грунта и рассматриваемой глубины туннеля.

4. Способ учета технологии проходки туннеля (длины захватки) при определении осадки дневной поверхности.

5. Результаты сопоставления прогнозных значений осадки поверхности с: полученными в процессе натурных наблюдений при строительстве двух транспортных туннелей в Москве.

Обоснованность и достоверность основных научных положений диссертационнойработы подтверждается' хорошим соответствием полученных результатов данным натурных наблюдений за осадками дневной' поверхности при проходке туннелей (как по величине осадок, так и по форме образующихся воронок), а также достоверностью используемой в расчетах численной модели, — Обоснованность использования конечно-элементной-программы ZSOIL подтверждается многочисленными расчетами грунтовых и скальных массивов с разнообразными инженерно-геологическими характеристиками, выполненными специалистами, разных стран, а также собственными сопоставительными расчетами автора. Научная новизна работы.

1. Численные расчеты рассматриваются как научные эксперименты, проводимые для определения деформаций поверхности, возникающих при проходке туннелей.

2. Показана возможность использования методики рационального планирования эксперимента для обоснования количества расчетов и выбора оптимального сочетания влияющих факторов.

3- Выявлены параметры (факторы), оказывающие наибольшее влияние на осадку дневной поверхности при проходке туннелей в слабых грунтах.

4. Показано, что распределение: осадки дневной поверхности в направлении, поперечном оси туннеля, хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью.

5. Выполненными исследованиями установлено, что размеры зон влияния • подземных работ, характеризуемые шириной мульды оседания поверхности, определяются типом грунта и глубиной заложения туннеля и практически не зависят от основных влияющих на максимальную осадку поверхностифакторов (диаметра туннеля, и др.). При рассматриваемой глубине туннеля Н=20м расстояние от центра кривой оседания до точки ее перегиба составляет: для песков, супесей-и суглинков — от 10 до 15 м и для глин — от 12,5 до 19 м.

6. Выявлена достаточно четкая взаимосвязь между максимальными горизонтальными смещениями дневной поверхности и ее максимальной осадкой для всех исследованных типов грунтов.

7. С помощью статистических программ получены формулы и построены номограммы для оперативного определениязначений осадки дневной поверхности и ее наклонов на разном расстоянии от оси туннеля, применительно к разным значениям влияющих факторов.

Практическая ценность. Полученные результаты позволяют с достаточной для практических целей точностью прогнозировать величины осадок и наклонов зданий и сооружений, находящихся на разном расстоянии от продольной оси туннеля.

Апробация работы производилась напримере двух транспортных туннелей в Москве — построенного и сданного в эксплуатацию туннеля в.

Лефортово и строящегося туннеля в Серебряном бору. Для первого туннеля были получены фактические данные об осадках дневной поверхности, возникшие вследствие его проходки, а для второго — их прогнозные значения, полученные специалистами: НИЦ «Туннели и метрополитены». Сопоставительные расчеты показали хорошее соответствие прогнозных значений, полученных на основе аппроксимирующих зависимостей: и построенных номограмм, с фактическими данными, а также с прогнозными значениями НИЦ «Туннели и метрополитены».

По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы:

1. РечицкийВ. В- «Прогнозирование величин осадок зданий при строительстве подземных сооружений». Известия Тульского государственного университета. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. Л, 2003 г.

2. Юфин С. А., Речицкий В. В. «Оценка влияния строительства подземных сооружений на существующую застройку». Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооруженийТруды международной конференции. Екатеринбург, 2004 г.

3. Rechitsky V.V. «Investigation of the day surface settlement profile in tunneling». In: Underground Space and Rock Mechanics. S.A.Yufin (ed.). pp.128 133, ТА Engineering, Moscow, 2005.

Основные положения работы докладывались автором и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. XIV Всероссийская научно-практическая конференция изыскателей Гидропроекта «Инженерные изыскания в» современных условиях". Солнечногорск, Моск. обл., 11−14.03.2003.

2. Международная конференция «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений». Тульский государственный университет. Тула, 2325.09.2003.

3. 10-я Международная конференция АСЦИЗ: «Подземное пространство: экономика и окружающая среда». Московский государственный строительный университет. Москва, 24−28.01.2005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 156 страниц, включая 102 страницы машинописного текста, 57 иллюстраций, 19 таблиц и списка литературы из 110 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Строительство транспортных и горных подземных выработок вызывает деформации дневной поверхности (осадки, наклоны и др.), которые, как показывают многочисленные примеры, могут быть опасными для расположенных в зоне влияния этих выработок зданий и сооружений.

В связи с этим весьма актуальным является заблаговременный прогноз указанных деформаций, способствующий правильному выбору технологии ведения подземных работ и, при необходимости, обосновывающий разработку защитных мероприятий, обеспечивающих безопасность существующих зданий. Особую актуальность прогнозирование деформаций дневной поверхности приобретает в условиях плотной городской застройки, когда в зону влияния подземных работ попадает большое число зданий с разной степенью сохранности.

2. В основу существующих способов прогноза деформаций дневной поверхности под влиянием подземных работ положены следующие методы:

• эмпирические, основанные на использовании опыта строительства подземных выработок в условиях, аналогичных рассматриваемым;

• аналитические, основанные на решении задачи подработки территории строгими математическими методами теории упругости;

• численные методы, использующие итерационные способы решения задачи с разбивкой области моделирования на большое число взаимодействующих между собой конечных элементов;

• физического моделирования, воспроизводящие в определенном масштабе процесс строительства подземных сооружений на моделях из эквивалентных материалов или с помощью центробежного моделирования.

Из перечисленных методов в последнее время все большее распространение получают численные методы моделирования, позволяющие вводить в расчет большое число исходных данных: тип и параметры крепления выработок, неоднородность грунта, нелинейность связи между деформациями и напряжениями в грунте и др., которые в совокупности практически невозможно учесть аналитическими методами и очень сложно воспроизвести на физических моделях.

Учитывая это, в настоящей работе для прогнозирования осадок и наклонов дневной поверхности используется одна из широко известных современных численных программ — конечно-элементная программа ZSoil (Швейцария), разработанная специально для расчетов напряженно-деформированного состояния природных грунтов и вмещающих их сооружений и апробированная на многих объектах в разных странах.

Все численные расчеты по указанной программе проведены в условиях плоской деформации и для необводненных грунтов.

3. В настоящей работе впервые выполнен целенаправленный комплекс численных исследований, позволивший выявить степень влияния различных факторов на осадки дневной поверхности при строительстве туннелей неглубокого заложения.

Все вычисления были проведены с использованием методики рационального планирования экспериментов (под «экспериментами» в данном случае понимались численные расчеты), что позволило получить наиболее представительные результаты при приемлемом числе выполненных расчетов.

Было получено, что наиболее важными факторами, оказывающими значительное влияние на величину максимальных осадок дневной поверхности над туннелем, являются следующие: а) диаметр туннеляб) модуль деформации массива и в) степень разгрузки массива, зависящая от времени установки крепи.

Глубина заложения туннеля в пределах значений, рассматриваемых в работе, незначительно влияют на осадки поверхности. Пренебрежимо малое влияние на осадки дневной поверхности оказывает величина давления, передаваемая на грунт от существующих зданий и сооружений.

4. Расчеты показали, что прогноз осадок дневной поверхности при проходке туннелей неглубокого заложения в слабых грунтах следует проводить с использованием упруго-пластической модели грунта, в большей степени соответствующей реальным геотехническим условиям.

Наибольшее различие в величинах максимальных осадок, определенных расчетами в линейно-упругой и упруго-пластической постановках, было получено для супесей (для этих грунтов разница в осадках достигала нескольких раз), наименьшее — для глин (разница в полтора-два раза).

5. В настоящей работе задача прогнозирования деформаций дневной поверхности решена применительно к следующим 4-м разновидностям слабых грунтов: пескам, супесям, суглинкам и глинам. Все расчеты проводились в нелинейной постановке, с помощью упруго-пластической модели Друккера-Прагера.

Для каждого из рассматриваемых грунтов по результатам численных расчетов получены эмпирические зависимости для определения максимальных осадок дневной поверхности над туннелем, соответствующих тем или иным значениям основных влияющих факторов, перечисленных в п.З. Под «эмпирическими» в данном случае понимаются зависимости, аппроксимирующие результаты расчетов. Указанные зависимости получены путем обработки результатов численных расчетов с помощью современных статистических программ.

6. Детальный анализ полученных расчетным путем кривых осадок дневной поверхности позволил сделать ряд важных выводов.

Так, было показано, что в абсолютном большинстве случаев кривые осадок хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией.

Было получено также, что размеры зон влияния подземных работ, характеризуемые размером кривых осадок, определяются типом грунта и глубиной заложения туннеля и практически не зависят от основных влияющих на максимальную осадку поверхности факторов (диаметра туннеля, и др.). Расстояние от точки поверхности над туннелем до точки перегиба кривой осадок составляет при рассматриваемой глубине туннеля Н=20 м: для песков, супесей и суглинков — от 10 до 15 м и для глин — от 12,5 до 19 м. Данный вывод и приведенные величины находятся в хорошем качественном и количественном соответствии с результатами натурных наблюдений, опубликованных к настоящему времени некоторыми исследователями.

Полученные результаты позволяют с достаточной для практических целей точностью прогнозировать величины осадок и наклонов зданий и сооружений, находящихся на разном расстоянии от продольной оси туннеля.

7. В качестве конечного практического результата выполненных исследований в работе приводятся номограммы для экспресс-оценок величин осадок и наклонов зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния туннельных работ. Номограммы, построенные отдельно для каждого рассмотренного вида грунтов, позволяют оперативно определять указанные выше величины в зависимости от диаметра туннеля, модуля деформации грунта, степени его разгрузки, а также от удаления рассматриваемого здания от туннеля.

8. Выполненная в работе проверка результатов исследований на примерах двух реальных объектов — сооруженного туннеля в Лефортово и сооружаемого туннеля в Серебряном бору — показала вполне приемлемое для экспресс-оценок соответствие прогнозных значений осадок дневной поверхности, полученных на основе аппроксимирующих зависимостей и построенных номограмм, с фактически измеренными деформациями.

9. Полученные автором результаты исследований, естественно, не учитывают реального многообразия инженерно-геологических условий, а также некоторых особенностей технологии ведения горных работ, применяемых в ряде случаев при проходке в слабых грунтах (например, создания искусственного давления на забой выработки). В связи с этим выполненный анализ не претендует на общность результатов и нуждается в продолжении и необходимых уточнениях.

По мнению автора, дальнейшие исследования по оценке деформаций дневной поверхности, вызываемых строительством туннелей неглубокого заложения, представляется целесообразным сосредоточить на детальном анализе влияния строительного водопонижения, которое, как показывает практика, в ряде случаев бывает значительным. Комплекс численных расчетов, выполненных с этой целью, должен способствовать установлению степени влияния этого фактора в зависимости от инженерно-геологических условий (в частности, от вида вмещающих грунтов и их деформационных свойств) и от других основных влияющих факторов, рассматриваемых в настоящей работе.