Проблемы прогнозных расчетов при проходке тоннелей мелкого заложения
Тоннели мелкого заложения метрополитенов прокладываются из центра в новые районы массового жилищного строительства по резервным территориям, предусмотренным генеральным планом города. Однако при переходе трассы метрополитена от глубокого заложения к мелкому, в силу градостроительной ситуации, иногда не удается миновать застроенный участков. Закрытый способ прокладки тоннелей наиболее экологичен. Развитию этого вида производства работ и выбору мелкого заложения, способствуют появившиеся в последние годы высокопроизводительные щитовые горнопроходческие комплексы, например «WIRTH» ( Германия), которые позволяют проходить тоннели как в коренных скальных породах на большой глубине, так и в дисперсных грунтах ( в том числе слабых) верхних горизонтов на небольшой глубине.
В горном деле понятие «глубокое сооружение» связано с прочностью пород, например, по М.М. Протодьяконову, которая сравнивается с максимальной величиной горного давления на средней глубине сооружения. В настоящее время это уже общепринятое представление о переходной глубине сооружения H* от сравнительно неглубоких (Н<Н*) к глубоким сооружениям (Н>Н*). Другими словами при Н=Н* над выработкой возможно образование свода обрушения.
В геотехнических расчетах, применяемых с целью прогнозирования деформаций земной поверхности и зданий при прокладке городских тоннелей, деление на «мелкое» и «глубокое заложение» важно с точки зрения влияния поверхностных условий на изменение НДС массива при образовании выработки. В первую очередь это касается нагрузок, передаваемых фундаментами на основании от веса самого здания.
На тоннельные выработки глубокого заложения поверхностная нагрузка серьезного влияния не окажет, за исключением, может быть, глубоких, например, свайных фундаментов при значительных давлениях, передаваемых на основание.
Прогнозирование деформаций поверхности при изменении уровня подземных вод.
Подземные воды являются важнейшим элементом гидрогеомеханической системы, т.к изменение их режима зачастую сопровождается изменением физико-механических свойств грунтов, процессами суффозии, явлениями взвешивания и т.п. Антропогенное воздействие на геологическую среду в больших городах связано прежде всего с подземными водами: подтопление территории за счет утечек из водонесущих коммуникаций и нарушения условий аэрации при застройке или глубокое осушение в результате дренажа, водопользования либо строительного водопонижения. На основании статистической обработки материалов о причинах повреждений 750 зданий в Венгрии Л. Ретхати установил, что в 80% случаев эти повреждения прямо или косвенно связаны с воздействием подземных вод либо на сами сооружения, либо на их основания.
Механизм явления, сопровождающего понижение уровня подземных вод, связан с действием закона Архимеда и достаточно хорошо изучен:
- скелет грунта, находящегося ниже УПВ, испытывает взвешивающее действие воды, в результате которого удельный вес грунта во взвешенном состоянии уменьшается по сравнению с удельным весом того же грунта , находящегося выше УПВ, примерно на величину удельного веса воды;
-снижение УПВ на глубину H приводит к уменьшению гидростатического давления столба воды на эту же величину и повышению эффективных напряжений в скелете грунта, которые в свою очередь вызывают осадки обезвоженного грунта, т.е. осадки происходят под действием роста напряжений, на величину сниженного гидростатического давления;
- величина этих осадок зависит от сжимаемости грунта и его структурной прочности.
При откачке подземных вод из одной скважины или группы скважин, расположенных по замкнутому контуру ( так называемый «большой колодец», в грунтовом массиве образуется депрессионная воронка, параметры которой при известных характеристиках системы водопонижения могут быть спрогнозированы гидрогеологическим расчетом. В массиве пород вследствие понижения УПВ и устранения взвешивающего действия воды нарушается природное равновесие НДС, что приводит к осадкам обезвоженных слоёв грунта с образованием на поверхности мульды осадок, которую в дальнейшем, для четкого выделения процесса, будем называть мульдой депрессии. Мульда (нем. mulde — корыто) — форма залегания слоёв горных пород в виде чаши или корытообразного прогиба, общее название изометрических или овальных пологих тектонических прогибов, или их частей в виде синклинали.
Рис. 2.14 Расчетная схема оседания земной поверхности при образовании депрессионной воронки.