Результаты определения коэффициента фильтрации методом налива (способ а,к. Болдырева)

1. Установленный расход воды в единицу времени

2. Коэффициент фильтрации где V – объем воды, пропускаемый через грунт (см³) время фильтрации объема воды через грунт [мин (час)]

7.Обследование мест проявления деформации существующих зданий вдоль трассы строящегося метрополитена

Освоение подземного пространства крупных городов связано со строи­тельством сооружений различного назначения, например, метрополитенов, транспортных и коммунальных тоннелей и др., возводимых в условиях сло­жившейся застройки, как правило, закрытым способом. Частичная подработка территории и сопутствующее понижение уровня подземных вод (УПВ) в ре­зультате предварительного (строительного) водопонижения или водоотлива, осуществляемого в процессе проходки подземной выработки, приводят к раз­витию осадок, горизонтальных перемещений и деформаций земной поверхно­сти на ограниченной площади.По аналогии с картиной, наблюдаемой при раз­работке полезных ископаемых шахтным способом, эта площадь называемся мульдой сдвижения (осадки обусловлены изменением напряженно - деформи­руемого состояния массива при выемке грунта) и депрессии (осадки за счет по­вышения эффективных напряжений в скелете грунта при водопонижении и устранении архимедовой силы в осушенном массиве). В случаях попадания зданий и сооружений на криволинейные участки мульды возникает опасность повреждения и даже, в наиболее неблагоприятных условиях, разрушения. Прогнозные расчеты, осуществляемые на стадии проектирова­ния подземного объекта, призваны установить наиболее значимые факторы в указанном неблагоприятном процессе, что позволяет предусмотреть адекват­ный комплекс конструктивных, горнотехнических и технологических меро­приятий по защите городской застройки. Пренебрежение этими правилами, от­сутствие в проекте защитных мероприятий ведет к негативным последствиям. Например, при строительстве метрополитена в г. Екатеринбурге на участке между станциями «Уральская» - «Динамо» в 1986-89 г. по различным причи­нам претерпели деформации различной степени тяжести (иногда весьма серь­ёзные) и пришли в аварийное состояние 16 жилых и общественных зданий по­стройки 50-х годов. Кроме неудобств, доставленных жителям и эксплуати­рующим организациям, строителям пришлось изыскивать дополнительные средства на проведение в спешном порядке восстановительных ремонтов, не предусмотренных сводным сметно-финансовым расчетом.

Рисунок 7.1Схема линий метрополитена в г. Екатеринбурге

Региональные особенности строительства метрополитенов на Урале

В1972г. Институт Гипрокоммундортранс (г. Москва) разработал ком­плексную транспортную схему развития города Свердловска (нынешний г. Екатеринбург), в которой путем всестороннего анализа вариантов различных решений внутри городских пассажирских транспортных проблем было обосно­вано сооружение внеуличной пассажирской коммуникации в виде метрополи­тена (на глубине более 20м).

Линия первой очереди Юг-Север проходит тоннелями глубокого заложения от станции «Чкаловская» у городского автовокзала на ул. Щорса под ул. 8 Марта до Городского пруда. Далее под прудом, стадионом, через станцию «Уральская» у железнодорожного вокзала пересекает Транссибирскую магистраль и через район ул. Завокзальной, АО «Пластик» выходит к станции мелкого заложения «Машиностроителей». Под проспектом Космонавтов тоннели мелкого заложе­ния достигают конечной станции «Проспект космонавтов». Станция «Ботаническая» в новом одноименном микрорайоне города проектируется мелкого заложения.

Строительство первой очереди началось в 1981 году в направлении Се­вер-Юг. К 1995 году сданы в эксплуатацию 6 станций (8.2 км) первой очереди строительства. В 1998 году достраивается станция «Геологическая», ведутся горно-проходческие работы на перегонных тоннелях и станциях «Бажовская» и «Чкаловская».

Конструктивно-технологические особенности возведения подземных сооружений

В конструктивном смысле компоновочная схема метрополитена в г. Екатеринбурге типовая: два перегонных тоннеля кругового очертания внутренним диаметром 5,1 м, расположенных на расстоянии (между центрами) около 15 м, соединяющие станции глубокого заложения односводчатого, двухсводчатого и трехсводчатого типов; станции мелкого заложения запроектированы с двумя рядами колонн и балочным перекрытием. Вер­тикальное перемещение пассажиров между платформами станций глубокого заложения и поверхностью осуществляется с помощью эскалаторов, проходящих под утлом 30° к горизонту в наклонном тоннеле внутренним диаметром 9,96 м при 4-х полосном эскалаторе.

Выбор глубины заложения станций и тоннелей осуществлен с учетом разницы в абсолютных отметках дна пересекаемых водных акваторий (Городского пруда в г. Екатеринбурге) и местности при соблюдении руководящих уклонов железнодорожного пути для метропоездов. На выбор глубины заложения сооружений метрополитенов, а следовательно, и на способы производства строительных работ, повлияли характер городской застройки и интенсивность движения транспорта по магистралям в районе трассы, а также ряд других факторов.

Строительство осуществляется двумя способами: горным и щитовым. При горном способе ведения работ рыхление пород производится буровзрывным методом, а проходку ведут сплошным (перегонные тоннели) или за­боем пониженного уступа (станционные тоннели). В качестве времен­ного крепления применяется арочно-набрызгбетонная и анкерная крепь. Для щитовой проходки используется высокопроизводительный ком­плекс фирмы «W1RTH», осуществляющий механическое разрыхление поро­ды. Постоянное крепление - чугунная или железобетонная обделка. Совместная работа массива горных пород и обделки тоннеля обеспечивается нагнетанием за обделку цементно-тампонажного раствора.

На некоторых участках возможно совмещение различных способов веде­ния работ. Например, односводчатая станция «Геологическая» в г. Екатеринбурге выполнялась с применением элементов технологии NATM сле­дующим образом: проходка боковых тоннелей с последующим сооружени­ем стен, проходка калотт и сооружение свода, разработка ядра и лотка с бето­нированием обратного свода. Особенностью технологии сооружения данной станции является разнесение в пространстве операций по разработке калотты и бетонированию постоянной обделки. Разработав грунт на очередной заходке, сооружали в своде временную арочно-набрызгбетонную крепь и про­должали проходку. Бетонирование постоянной обделки отставало от забоя на 25-35 м. Левый боковой тоннель пройден комплексом «WIRTH», правый - эректором с применением буровзрывных работ. Разработку грунта в калотте вели комбайном «Paurat», крепкие прослойки грунта разрушали мелко­шнуровым взрыванием.

Горнопроходческие работы сопровождаются постоянно действующим водоотливом. При больших водопритоках применяется предварительное строительное водопонижение с помощью глубоких скважин. Другие специаль­ные способы ведения работ, например, создание льдогрунтового массива или фильтрационной завесы и т.п., проектами строительства не предусматривают­ся, вследствие особенностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий и дороговизны. Попытка осуществить кольматацию трещин путем предварительного нагнетания смолы в скальный массив сильнотрещиноватых талько-хлоритовых сланцев и тем самым уменьшить водопритоки в горные вы­работки при строительстве станций «Чкаловская» и глинистого раствора на станции «Динамо», отличающимися большими водопритоками, окончились неудачей, т.к. поставленные цели не достигнуты,- снизить водопритоки таким способом не удалось. Успешный опыт применения для этих целей двухрастворной силикатизации при проходке одного из тоннелей на пр. Космонавтов дальнейшего развития не получил из-за дороговизны.

Прогнозирование развития депрессионных воронок и расчет осадок поверхности при водопонижении

Одной из отличительных региональных особенностей строительства го­родских подземных сооружений на Урале является водонасыщенность вме­щающего массива, обусловливающая водопритоки в горные выработки, иногда весьма значительные. В качестве основных мер защиты от затопления приме­няется водоотлив из зумпфов и предварительное строительное водопонижение с помощью глубоких скважин. Другие специальные методы, например, устрой­ство противофильтрационных завес, создание льдогрунтового ограждения и т.п., как уже отмечалось, не применяются вследствие особенностей литологического строения и по экономическим причинам. Длительно действующий водо­отлив и строительное водопонижение приводят к понижению УПВ и развитию осадок и деформаций земной поверхности в мульде депрессии. В итоге воздей­ствия от обоих неблагоприятных факторов, следующие - развитие мульды сдвижения при проходке тоннеля и осадки от водопонижения в мульде депрес­сии - накладываются и могут служить причиной значительных нарушений в зданиях и сооружениях на поверхности, инженерных коммуникациях и обусловило характер и величины (от 70 до 100%) всех наблюдавшихся аварий­ных деформаций зданий и сооружений.

Сравнение прогнозируемых осадок с результатами натурных измерения

В ходе строительства метрополитена выполняется мониторинг, вклю­чающий: маркшейдерский контроль за геометрией подземных выработок; ре­жимные наблюдения за изменениями УПВ; геодезические измерения осадок зданий и сооружений, попадающих в мульду депрессии и сдвижения; измере­ния деформаций земной поверхности на специально оборудованных профиль­ных линиях. Систематические наблюдения за развитием деформаций земной поверхности и зданий, изменениями УПВ во взаимосвязи с выполняемыми горнопроходческими работами и работами по водопонижению призваны отследить: возникновение и протекание геодинамических процессов; нарушения существующего равновесия в основаниях фундаментов и надземных конструк­циях зданий, степень их повреждения и опасности для окружающих; в необхо­димых случаях оперативно внести коррективы в предусмотренные проектом горнотехнологические или конструктивные защитные мероприятия.

Геодезические наблюдения за перемещениями фундаментов зданий и земной поверхности осуществляются высокоточным геометрическим нивели­рованием (с помощью прибора Н-ЗКЛ с насадкой, и инварной рейкой при ко­ротком плече наблюдения, позволяющем обеспечить точность отсчета 0,1-0,2 мм) стенных, поверхностных и глубинных марок (подвижных реперов), закладываемых, соответственно, по периметру защищаемых зданий и по про­фильным линиям - поперечникам в пределах ожидаемых максимальных осадок пo трассе. За исходные берутся пункты городской высотной сети, расположенные за границами прогнозируемой мульды сдвижения и депрессии.

Все геодезические наблюдения ведутся в соответствии с Временными методическими указаниями по наблюдениям за деформациями зданий и со­оружений при строительстве метрополитена в г. Екатеринбурге.

Изменения УПВ контролируются по сети наблюдательных скважин, переоборудованных из разведочных и пройденных специально, с помощью электрического датчика уровня. Частота наблюдений зависит от интенсивности развития деформаций или понижения УПВ на данном участке и намечается по заранее разработанной программе.

Рекомендации по способам защиты зданий и сооружений

Конечной целью прогнозных расчетов деформаций земной поверхности в связи с частичной подработкой территории и водопонижением при строительстве подземных сооружений метрополитена является разработка адекватных мер защиты существующей городской застройки от вредного влияния горно­проходческих и специальных работ. Мероприятия по защите зданий и соору­жений подразделяются на планировочные, конструктивные и горно-технологические.

Первые предусматриваются на стадии выбора местоположения станций и трассы перегонных тоннелей, являются важнейшими и обеспе­чивают минимальный объём двух других. Например, нормами проектирования метрополитенов предусмотрено расположение станций преимущественно под малозастроенными участками (площади, магистральные улицы, парки и др.), а также под зданиями, требующими капитального ремонта или предна­значенными на снос. В период изысканий и проектирования должно рассмат­риваться несколько вариантов возможных планировочных решений станций и узлов, трассирования перегонных тоннелей и т.п., обеспечивающих минималь­ное воздействие подземных работ на городскую застройку. К сожалению, последнее правило выполняется не всегда. Например, при проектировании первой очереди метрополитена в г. Екатеринбурге считали, что вследствие высокой крепости вмещающих тоннели пород, размеры мульды сдвижения и деформации в ней будут минимальны, прокладка трассы тоннелей под достаточно широкой ул. 8 Марта обеспечит сохранность зданий и сооружений. При этом не была учтена в полной мере специфика элювиальных грунтов: наличие глубоких карманов выветривания, резкое падение кровли скальных пород к пойме р. Исеть и возможные последствия понижения УПВ.

Таким образом, прогноз деформаций земной поверхности должен включать оценку воздействия их на здания и сооружения, содержать рекомендации по способам защиты городской застройки. На его основе осуществляется тех­нико-экономическая оценка вариантов планировочных решений, разрабатыва­ются проекты конструктивных мер защиты и предусматриваются горно-технологические мероприятия при производстве работ.

Выбор конструктивных и профилактических мер защиты зданий

Выбор того или иного способа защиты зданий и сооружений производит­ся на основании выполненного прогноза деформаций земной поверхности, ре­зультатов натурного обследования состояния конструкций объектов, попадаю­щих в мульду сдвижения и депрессии, оценки степени прогнозируемых повреждений и опасности их для нормальной эксплуатации здания, технико-экономического сравнения возможных вариантов.

Как и при возведении зданий и сооружений на неравномерно сжимаемом основании, просадочных грунтах и подрабатываемых территориях конструктивные меры защиты подразделяются на следующие основные виды:

устранение причин неравномерных деформаций (например, путем закрепления основания фундаментов или водовозмещения);

приспособление конструкций зданий к неравномерным деформациям за счет повышения их жесткости или, наоборот,- гибкости;

выравнивание зданий в процессе деформаций.

Первая группа мер заключается в отсечении основания здания от мульды оседания либо, в уменьшении перемещений грунта в мульде за счет повышения структурной связности и жесткости дисперсных грунтов. Сюда относятся: а) подведение под здание свайного фундамента или дополнительных бетонных опор, опирающихся на нижние слои грунтов (коренные породы), не подверженных сдвижению или осадкам от водопонижения (рис.7.5а); б) устройство шпунтовых ограждений (рис. 7.5б)-применяется преимущественно при проходке тоннелей мелкого заложения; в) уменьшение сжимаемости дисперсных грунтов путем инъецирования цементного раствора в толщу, обусловливающую наибольший прирост эффективных напряжений и осадок при водопонижении (рис.7.5в); г) закрепление вмещающего тоннель слоя перед проходкой. Все эти методы широко известны и достаточно хорошо освоены специализированными строительными организациями. В то же время они являются наиболее радикальными (возможно полное исключение неравномерных осадок), трудоемкими и дорогими.

Рис.7.5а. Схема подведение под здание дополнительных опор: 1- тоннель; 2- существующий фундамент здания; 3-отдельные опоры; 4- угол возможных сдвижений

Рис.7.5б. Устройство шпунтовых ограждений

Рис.7.5в. Схема закрепления основания в зоне наибольшего путем инициирования цементного раствора.

Рис.7.5г. Схема компенсационного нагнетания

Для многоэтажных зданий, развитых в плане, рекомендуется ком­пенсационное нагнетание в грунтовый массив под фундаментом защищаемого здания цементного или цементно-глинистого раствора. Нагнетание осуществ­ляется через ряд горизонтально расположенных инъекторов, устанавливаемых из вертикальных шахт, устраиваемых вблизи от защищаемого здания. Нагнета­ние следует производить в малопроницаемые слои грунта на глубине, равной примерно половине глубины заложения тоннеля.

Одним из способов устранения осадок, вызываемых водопонижением, является водовозмещение путем нагнетания части откачиваемой воды в осушаемый слой под пятном защищаемого объекта (рис.7.5г). Основное ограничение для этого метода: возможность развития суффозионных процессов в основании защищаемого объекта. Поэтому его не рекомендуется применять при нахождении природного УПВ в мелких и пылеватых песках и супесях.

Вторая группа мер, направленная на обеспечение сопротивления конструкций и приспособление зданий к деформациям основания, является наиболее хорошо отработанной и широко применяемой. При этом не исключается появление небольших трещин в стенах и перегородках и необходимость выполнения послеосадочного косметического ремонта. К ним относятся: устройство монолитных поясов жесткости по обрезу и подушкам фундаментов гражданских зданий; связей-распорок между фундаментами и дополнительных связей в каркасе промышленных зданий; преднапряженных стальных поясов в уровне цоколя и перекрытий жилых и общественных зданий.

Гибкость повышается путем устройства дополнительных деформационных швов (рис. 7.5д) с обеспечением жесткости каждого блока, в том числе и постановкой преднапряженных стальных тяжей. Этот способ рекомендуется для зданий, сложных в плане (П,Т и Г-образных) или протяженных, когда ожидаются большие неравномерные осадки отдельных его частей, причем, для обеспечения эффективности работы деформационного шва, рекомендуется рассечку стен осуществлять от верха карниза до подошвы фундаментов. Особое внимание должно быть уделено правильному устройству шва в перекрытиях, кровельном покрытии здания и заполнению его теплоизоляционным материалом.

Рис.7.5д. Схема устройства деформационного шва в здании при наличии преднапряженных стальных тяжей:

1- защищаемое здание; 2 - стальные тяжи {диаметром 30мм); 3-стяжные муфты; 4- угловые упоры (δ=20мм), установленные на раствор; 5- металлические пластины (δ=20мм);

6- искусственно выполненный деформационный шов (засверливание наружной стены на 2/3 толщины, в местах прохождения деформационного шва под ригели подводятся кирпичные столбы на всю высоту здания)

Третья группа мер - выравнивание зданий по мере развития деформаций основания, например, с помощью домкратов, весьма сложна и трудоемка в подготовке и осуществлении. Опыта производства подобных работ на Урале нет.

Возведение метрополитена в г. Екатеринбурге показало, что наиболее эффективным способом защиты зданий от деформаций (при неизменном планировочном решении) является совмещение конструктивных и горно-технологических мероприятий. К последним относится: предъявление жестких требований к производителю работ по обеспечению длины незакрепленных и незатампонированных участков подземных выработок не более допустимой по расчету, скорости проходки и объёма строительного водопонижения.

Одним из способов уменьшения неравномерности осадок фундаментов зданий, расположенных на глубоких карманах выветривания, вызываемых водопонижением, может быть регулирование характера депрессионной кривой за счет рационального расположения водопонижающих скважин и регулирования длины свободной фильтрации в горную выработку. По результатам подобных расчетов предложены мероприятия по изменению проекта строительного водопонижения на строящейся станции «Бажовская» в г. Екатеринбурге для пре­дотвращения недопустимых деформаций 16-этажного жилого дома по ул. Большакова, 95. В этом случае особая ответственность возлагается на монито­ринг и геотехнический контроль за процессами в зоне строительства.

В период развития деформаций должны быть предприняты необходимые меры для обеспечения надежного опирания элементов междуэтажных пере­крытий, лестничных маршей и площадок многоэтажных зданий. Особенно это относится к различным стыковочным вставкам сложных в плане зданий. На участках стен с наибольшей концентрацией напряжений рекомендуется произ­вести закладку проемов кирпичной кладкой или вставить в них жесткие метал­лические рамы. В местах возможного отделения наружной облицовки зданий и в больших залах с лепными украшениями на период деформаций необходима установка улавливающих сеток. Хозяева и эксплуатирующий здание персонал должны быть предупреждены о возможных деформациях: ибо они, как прави­ло, первыми сообщают о возникающих нарушениях и становятся участниками мониторинга. Желательно информировать общественность города через сред­ства массовой информации о возможных последствиях работ по строительству метрополитена, что снимет возможные домыслы и слухи, погасит ненужный ажиотаж вокруг подземного строительства.

Своевременное выполнение комплекса горно-технологических, водоза­щитных и конструктивных мероприятий, разрабатываемых на основании на­дежного прогнозного расчета возможных деформаций земной поверхности и зданий в период производства работ, связанных с подземным строительством, обеспечивает безопасную и непрерывную эксплуатацию объектов существую­щей городской застройки.