Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Таблица 1

Результаты определения параметров для модели упрочняющегося грунта

(Hardening Soil)

При расчете были определены величины максимальных расчетных внутренних усилий в конструкциях существующего тоннеля с учетом изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вызванного устройством нового тоннеля и выполнена оценка сохранности существующих конструкций. Внутренние усилия в конструкциях определялись на всех этапах моделирования. Расчеты показали, что в результате строительства нового тоннеля безопасность существующих сооружений обеспечена с коэффициентом запаса по прочности 1,31–1,35.

На основании выполненных расчетов НИЦ ОПП «Мосинжпроект» разработал рекомендации по сохранности действующих сооружений метрополитена, включающие в себя: разработку проекта комплексного геотехнического мониторинга, устройство продольной балки жесткости в лотковой части тоннеля для исключения клавишного эффекта (существующие лотковые блоки не имеют перевязки швов), нагнетание тампонажного раствора в первое устанавливаемое кольцо обделки, крепление лба и кровли забоя после окончания разработки грунта.

Во втором случае моделировалась проходка двух перегонных тоннелей под существующими перегонными тоннелями с помощью ТПМК с активным пригрузом забоя. Расстояние между осями строящихся тоннелей – 14,9 м, обделки Днар/Двн 6,06/5,56 (левый тоннель) и 5,9/5,4 (правый тоннель) спроектированы из сборных железобетонных блоков высокой точности заводского изготовления с водонепроницаемыми стыками.

Конструкция существующих тоннелей – сборная высокоточная водонепроницаемая железобетонная обделка Ø5,9/5,4 м. Расстояние между осями существующих тоннелей – 14,9 м. Мощность грунтового целика между строящимися и существующими тоннелями – 2,7 м. Глубина заложения шелыги свода проектируемых тоннелей – 14 м от поверхности земли. Расчетная

411

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

схема приведена на рис. 2. По данным инженерно-геологических изысканий в зоне проектируемого строительства залегают пески мелкие и средней крупности, насыщенные водой с прослоями мягкопластичных суглинков и пластичных супесей.

Рис. 2. Общий вид проектируемых и существующих тоннельных сооружений

Рис. 3. Распределение деформаций при проходке правого и левого тоннеля

(оптимистический вариант)

Расчеты выполнялись в предположение 2 вариантов соблюдения технологии ведения работ: оптимистического (100 % заполнении строительного зазора тампонажным раствором, соблюдение величин грунтопригруза забоя, ведение щита по проектной оси без отклонений) и пессимистического (заполнение заобделочного пространства не более 70 %, отклонение диаграммы пригруза забоя до 30 %). В расчете моделировалась последовательная разработка грунта рабочим органом ТПМКП, его передвижение, устройство обделки и заполнение гарантированного строительного зазора тампонажным составом. В расчете были заданы параметры конструкционных материалов и грунтового массива, а также нагрузки, полностью отвечающие фактической строительной ситуации. По результатам расчета были определены теоретически возможные величины осадок существующих тоннелей – 4 мм (при оптимистическом варианте) и 20 мм (при пессимистическом варианте). Результаты распределения вертикальных деформаций приведены на рис. 3.

После рассмотрения результатов изменения напряженно-деформи- рованного состояния конструкций обделок существующих тоннелей было зафиксировано незначительное отклонение коэффициента запаса несущей способности в некоторых сечениях конструкций в сторону уменьшения.

412

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

В данной строительной ситуации рассматривались следующие варианты мероприятий по обеспечению сохранности и безопасной эксплуатации существующих тоннелей: устройство металлических разгружающих рам внутри существующих тоннелей и страховочной балки жесткости в зоне лотка, укрепление грунтов основания, устройство массива укрепленного грунта, усиление тоннелей материалом на основе углепластикового волокна. Однако, все перечисленные мероприятия являются чрезмерно затратными по времени, учитывая сжатые сроки строительства и рассчитаны на случаи аварийного воздействия на тоннели, которое возможно лишь при полном несоблюдении технологии проходки ТПМК. При этом проходка тоннелей по проекту планировалась с использованием новейших ТПМК с активным пригрузом забоя, которые способны, в большинстве случаев, обеспечить безосадочное строительство тоннеля. Поэтому в качестве мероприятий по обеспечению сохранности существующих сооружений в данном проекте были предусмотрена разработка регламента проходки, учитывающего условия строительства в зоне эксплуатируемых тоннелей и проведение автоматизированного геодезического мониторинга на весь период строительства тоннелей.

Численное моделирование строительства тоннелей вблизи существующих сооружений метрополитена дает возможность своевременно и объективно оценить влияние нового строительства и разработать мероприятия по их сохранности.

Опыт показывает, что при моделировании необходим учет множества факторов, которые в той или иной степени влияют на несущую способность и деформации существующих тоннелей при строительстве вблизи них новых сооружений. Основными факторами, которые необходимо учитывать при численном моделировании строительства перегонных тоннелей являются: последовательность сооружения объекта, корректные свойства грунтового массива, особенности технологии ведения работ.

Для учета этих факторов необходимо проводить численное моделирование в пространственной постановке, так как в условиях пересекающихся тоннелей пространственная задача позволяет учесть взаимное расположение существующих и строящихся тоннелей.

При моделировании сооружений, имеющих большую глубину заложения следует использовать усовершенствованные модели, корректно отражающие работу массива при возникновении зон разгрузки, в частности модель упрочняющегося грунта Hardening Soil.

Использование современных ПВК, таких как Z_Soil 3D v.11.15, позволяет учитывать не только свойства грунта и взаимное расположение сооружений в пространстве, но и технологические параметры строительства (пригруз забоя, заполнение строительного зазора тампонажным составом, временное крепление, перебор грунта при щитовой проходке). Это позволяет, варьируя различными факторами, выяснить влияние конкретных технологи-

413

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

ческих параметров на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Проведенные расчеты показали необходимость анализа устойчивости грунтового массива и существующих конструкций на всех стадиях расчета, так как наибольшие значения внутренних усилий и перемещений возникают на промежуточных этапах возведения сооружения.

УДК 624.19.05

В.Е. Меркин, А.А. Пискунов, И.Я. Харченко, И.Н. Хохлов,

Е.А. Хотеев (НИиПИ ТС ОАО «Мосинжпроект», г. Москва), Д.В. Устинов (ООО «НИЦ «Тоннельной ассоциации», г. Москва)

НЕСТАНДАРТНЫЕ РЕШЕНИЯ В НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ

Вусловиях сжатых сроков и, следовательно, высоких темпов строительства, а также сложных инженерно-геологических условиях, связанных

сналичием неустойчивых, водонасыщенных грунтов, возможно возникновение нештатных ситуаций, причинами которых могут быть ошибки проектирования, нарушение технологии при ведении строительных работ, недостаточная изученность инженерно-геологических условий и т. д.

Внастоящей статье рассматривается ситуация резкого изменения НДС вмещающего грунтового массива, вызванная выносом обводненных песков в тоннель, повлекшая за собой деформирование сборной железобетонной водонепроницаемой обделки, а также обобщение полученного опыта.

Основными факторами риска в результате такого инцидента являются:

1.Снижение и возможная потеря несущей способности сборной железобетонной обделки.

2.Несоблюдение в результате деформаций регламентированных нормами габаритов тоннеля.

3.Нарушение герметичности обделки.

Анализ возможных вариантов решения проблемы:

1.Стабилизация вмещающего грунтового массива путем закрепления

грунта.

2.Устройство котлована, разборка сооруженной обделки и сборка новой обделки в открытом котловане с последующей обратной засыпкой.

3.Устройство конструкций усиления с внутренней стороны обделки

тоннеля.

Анализ показал следующее:

стабилизация вмещающего грунтового массива, являющаяся необходимым условием обеспечения несущей способности и эксплуатационной надежности обделки с последующим закреплением грунта и восстановлени-

414

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

ем плотного контакта «обделка-грунт» требует значительных трудовых и материальных затрат;

устройство новой обделки взамен поврежденной в открытом котловане представляется технологически достаточно простым решением, однако трудно- и весьма затратно реализуемым в условиях плотной городской застройки, при значительной глубине заложения тоннеля и при значительном водопритоке в котлован.

В качестве оптимального был признан вариант устройства усиления изнутри тоннеля обоймой из набрызгбетона, армированного стальной или полипропиленовой фиброй, а также, при необходимости, сварными сетками из стержневой арматуры. Применение фибрового армирования позволяет повысить прочность на растяжение и трещиностойкость бетона, пригодно для нанесения бетона методом набрызга, позволяет в некоторых случаях отказаться от стержневого армирования, тем самым снижая трудозатраты на устройство конструкций усиления.

Необходимость и возможность устройства усиления определяется расчетами, фактическим состоянием существующих конструкций, определяемым по результатам обследования, степени их повреждения, деформированности. Исходя из вышесказанного, при проведении обследования необходимо тщательно фиксировать дефекты конструкций обделки (рис. 1), проводить геодезические измерения для определения фактических геометрических размеров, определить состояние заобделочного пространства путем проведения геофизических исследований.

Рис. 1. Пример дефектной ведомости

415

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Необходимо отметить также, что своевременно принятые меры при возникновении нештатной ситуации (например, установка конструкций временного подкрепления) могут обеспечить принципиальную возможность устройства усиления при сохранении эксплуатационных качеств, в частности, требуемых габаритов тоннеля.

На основании собранных в ходе обследования исходных данных выполняется расчетное обоснование мероприятий по усилению:

1.Определение НДС системы «грунт-обделка» после инцидента.

2.Определение допустимых геометрических параметров усиления, связанных с обеспечением необходимого внутреннего габарита тоннеля.

3.Определение внутренних усилий в конструкциях усиления и параметров армирования.

Для оценки несущей способности деформированной обделки путем анализа данных обследования и поверочными расчетами определяется процент сохраненной обделкой несущей способности (от проектного значения) после стабилизации напряженно-деформированного состояния.

Моделирование ситуации инцидента в рассматриваемом случае осуществляется из предположения о том, что основным фактором, оказавшим влияние на изменение НДС системы «грунт-обделка», является изменение гидрогеологических условий. В общем случае для правильного определения НДС системы "грунт-обделка" необходимо учитывать весь комплекс факторов, приведших к возникновению нештатной ситуации. Для проверки релевантности результатов расчета, их необходимо сопоставить с результатами натурного обследования объекта (дефектными ведомостями, результатами

маркшейдерских измерений, результатами геофизических исследований), и, при необходимости, корректировать расчетную модель (рис. 2).

Рис. 2. Расчетные схемы к определению несущей способности обделки после инцидента

Таблица 1

Соотношение значений внутренних усилий в сборной железобетонно обделке до и после инцидента

Примечание. В числителе – значения до инцидента, в знаменателе – после.

416

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 4. Расчетные схемы, использованные для определения внутренних усилий в обойме усиления:

а) расчетная модель устройства фибробетонной обоймы усиления; б) расчетная модель на участке образования сверхнормативных уступов; в) фрагмент расчетной модели; г) деформации существующей обделки при образовании клавиш

Исходя из максимально допустимой толщины обоймы 100 мм и 120 мм для различных участков, разработано три типа конструкции:

1.Обоймы толщиной 100 мм из набрызгбетона с армированием полимерной фиброй, наносимого по слою напыляемой гидроизоляции;

2.Обойма толщиной 120 мм из набрызгбетона с армированием стальной фиброй и одной сеткой из арматуры класса В500С Ø12 и Ø10 с шагом

100 мм.

3.Обойма толщиной 100мм из набрызгбетона с армированием стальной фиброй фиброй и одной сеткой из арматуры класса В500С Ø12 и Ø10

сшагом 100 мм. Сетка устанавливается по внутренней поверхности обоймы. Типы конструкции 2 и 3 не предусматривают устройство гидроизоля-

ции, что позволило отказаться от устройства защитного слоя из неармированного набрызгбетона.

Устройству обоймы усиления предшествует подготовка поверхности усиливаемой конструкции, в частности устранение дефектов (сколов, трещин, оголений арматуры и т. д.), зачистка, обеспыливание.

С целью устранения так называемого «теневого эффекта», затрудняющего, либо делающего невозможным равномерное нанесение набрызгбетона,

418

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

при проектировании арматурных сеток предусматривается установка одной сетки или увеличение шага арматуры в сетках и установка сеток с разбежкой.

Характерные сечения и узлы конструкции обоймы усиления приведены на рис. 5.

При обеспечении совместной работы путевого бетона и кольца обоймы возможно устройство жесткого основания под ВСП из фибробетона и включение его в состав обоймы усиления (см. рис. 5).

Экспериментально подобранный состав бетонной смеси обеспечил прочность набрызгбетона в возрасте трех суток 50 % проектной (класса В30) и 93 % через 11 суток.

Незначительная толщина конструкции усиления (как правило, до 150 мм) предъявляет повышенные требования к точности выполнения работ. Точность установки арматурных сеток определяет, с одной стор

оны, соблюдение требуемого защитного слоя, с другой стороны – необходимой рабочей высоты сечения. Точность нанесения набрызгбетона, помимо всего прочего, определяет обеспечение требуемых габаритов тоннеля.

С целью контроля качества и характеристик набрызгбетона было проведено исследование трех серий образцов набрызгбетона: серия «СФ» – набрызгбетон с классом по прочности В30, армированный стальной фиброй; серия «ПФ» – набрызгбетон, армированный полипропиленовой фиброй; серия «О» – не содержащая фибру.

В результате проведенных исследований установлено следующее:

как при применении стальной фибры (СФ), так и применении полипропиленовой фибры (ПФ), наблюдается достаточно равномерное распределение волокон по объёму цементного камня и бетона;

бетоны имеют плотную структуру с общим объёмом пор, не превышающим 12%. Анализ дифференциальной пористости показывает преимущественное наличие пор со средним радиусом менее 1 мкм. Ожидаемая водонепроницаемость исследуемых фибронабрызгбетонов не менее W10;

фибронабрызгбетон имеет морозостойкость не менее, чем

в2 раза выше морозостойкости обычного набрызгбетона;

прочность при сжатии образцов серии СФ на 2 % выше прочности серии «О», а при раскалывании выше в 1,8 раза. При этом, первые трещины появились при нагрузке, превышающей эталонную в 1,48 раза.

прочность при сжатии образцов серии «ПФ» на 10% выше прочности серии «О», а при раскалывании выше на 26 %. При этом, появление пер-

вой трещины установлено при нагрузке, превышающей эталонную

в1,3 раза.

для набрызгбетона, армированного стальной или полипропиленовой фиброй, хрупкое разрушение, как при сжатии, так и при раскалывании, отсутствует.

419

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 5. Характерные сечения и узлы конструкции обоймы усиления: а) схема устройства сталефибробетонной обоймы усиления; б) узел армирования сталефибробетонной обоймы; в) узел стыковки арматурных сеток; г) устройство обоймы из фибробетона на полимерной фибре; д) узел обоймы из фибробетона на полимерной фибре; е) узел сопряжения жесткого основания под ВСП и кольца обоймы усиления

420