Применение компенсационного нагнетания стабилизирующих составов - Строительство тоннелей

Строительство городских тоннелей закрытым способом вызывает осадки грунтового массива в окрестности подземной выработки, а в ряде случаев и поверхности земли, что влечет за собой повреждения фундаментов расположенных поблизости зданий, инженерных коммуникаций, дорожного покрытия и т. д. [53].

Осадки грунтового массива и поверхности земли при щитовой проходке обусловлены, главным образом, выпусками грунта в забое щита, несвоевременным или некачественным заполнением строительного зазора, деформациями оболочки щита и тоннельной обделки. Основными причинами осадок при проходке тоннелей горным способом являются переборы грунта в забое, отставание временной крепи от забоя, недостаточная ее жесткость, а также несвоевременное возведение постоянной обделки.

В практике городского подземного строительства применяют различные планировочные, конструктивно-технологические и защитные меры по минимизации осадок поверхности земли и сохранности здании и сооружений. Имеется в виду использование рациональных конструкций обжатых в грунт обделок, механизированных щитов с призабойными прнгрузочными камерами, уплотнителей строительного зазора, анкерной и набрызгбетонной временной крепи, а также усиление конструкций зданий и их фундаментов, устройство защитных экранов, физико-химическое закрепление грунта под фундаментами и т. д. Все это приводит к существенному удлинению сроков и повышению стоимости строительства.

В последние годы для стабилизации грунтового массива в зоне влияния строящегося тоннеля получает распространение метод компенсационного нагнетания строительного раствора в определенные области грунтового массива между фундаментами зданий и тоннельной выработкой.

В большинстве случаев до начала основных работ по компенсационному нагнетанию выполняют так называемую преконсолидацию грунтового массива для его предварительного подкрепления и создания своеобразного "строительного подъема" с целью последующей компенсации перемещений грунта. Эффект ограничения осадок за счет нагнетания раствора в грунт виден на рис. 28.

эффект ограничения осадок поверхности земли за счет нагнетания раствора в грунт

Рис. 28 Эффект ограничения осадок поверхности земли за счет нагнетания раствора в грунт: 1 - застройка;2 - зона нагнетания; 3 - тоннель; 4 - прогнозируемые осадки поверхности земли; 5- ожидаемый "строительный подъем"; 6 - окончательные осадки поверхности земли

Таким образом, значительно уменьшаются потери грунта вследствие возможных выпусков в забое и предотвращается разуплотнение грунтовой толщи, а следовательно, сводятся к минимуму осадки грунтового массива и поверхности земли. Об эффективности рассматриваемого метода свидетельствует успешный опыт его применения в Великобритании, Австрии, Германии, Португалии, США и Канаде [54].

Компенсационное нагнетание применяют при проходке тоннелей закрытыми способами практически в любых нескальных грунтах естественной влажности, за исключением неустойчивых и закарстованных. Использование рассматриваемого метода наиболее целесообразно на участках тоннелей под фундаментами зданий, дорогами, другими подземными сооружениями и коммуникациями, повреждения которых недопустимы.

Основное отличие компенсационного нагнетания от других специальных способов стабилизации грунтового массива (цементации, химического закрепления, замораживания)заключается в том, что зона нагнетания ограничена сравнительно тонким слоем грунтового массива, выполняющим роль своеобразного домкрата, обжимающего вышележащую толщу [54].

Зона нагнетания может размещаться в непосредственной близости от поверхности земли (фундаментов зданий) или примыкать к подземному сооружению. Это зависит от инженерно-геологических условий, характера распределения и интенсивности внешних нагрузок, напряжений в подошве фундаментов и ряда технологических факторов (наличия пригруза в забое щита, скорости проходки, системы нагнетания за обделку и др.).

В качестве стабилизирующих грунт составов используют цементно-песчаный или цементно-бентонитовый раствор с добавками, регулирующими вязкость, сроки схватывания и твердения и т. д. Объем и давление нагнетания определяются соответствующими расчетами и корректируются в зависимости от поведения грунтового массива и наземных сооружений и зданий.

В настоящее время для определения параметров компенсационного нагнетания широко используют численные методы расчета, в основном метод конечных элементов, а также опытные работы в натурных условиях. На всех этапах строительства тоннеля и в процессе компенсационного нагнетания осуществляется геотехнический мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтового массива, тоннельной обделки, фундаментов зданий и сооружений. Для этого используют автоматизированные следящие системы, включающие электронную контрольно-измерительную аппаратуру и современную компьютерную технику [55].

Работы по компенсационному нагнетанию производят либо с поверхности земли, либо из существующих или вновь устраиваемых подземных выработок (шахтных стволов, камер, котлованов), забуривая вертикальные, горизонтальные или наклонные скважины, либо погружая в грунт специальные и иъекторы. Схема компенсационного нагнетания с поверхности земли и из шахтного ствола приведена на рис. 29.

схема компенсационного нагнетания с поверхности земли (а) и из шахтного ствола (б)

Рис. 29 Схема компенсационного нагнетания с поверхности земли (а) и из шахтного ствола (б): 1 - застройка;2 - скважины для нагнетания; 3 - зона нагнетания; 4 - станция метрополитена;5 - тоннель; 6 - шахтный ствол

Разработаны и применяются различные технологические схемы компенсационного нагнетания, предназначенные для разных грунтов [54].Так, в несвязных грунтах с низкой степенью проницаемости используют уплотняющее нагнетание жесткого строительного раствора, обладающего высокой вязкостью. Для этого в цементный раствор вводят мелкодисперсные добавки, а для обеспечения необходимого угла внутреннего трения - песок. Таким образом, раствор не проникает в поры грунта, а остается в нем в виде инородного тела. За счет этого происходит уплотнение и обжатие части грунтового массива и предотвращается развитие осадок ниже горизонта нагнетания.

В несвязных грунтах с высокой степенью проницаемости применяют фильтрационное нагнетание текучего раствора с высоким содержанием частиц твердой фракции, которые оседают вблизи инъектора, а жидкая среда фильтруется в грунтовый массив.

В глинистых грунтах эффективно важное нагнетание под большим давлением растворов, обладающих малой вязкостью, что способствует раскрытию в грунте трещин с образованием кливажа и обеспечивает проникание раствора в грунт. Такая технологическая схема осуществляется в постадийном режиме с выдерживанием между отдельными стадиями интервалов, достаточных для схватывания раствора, нагнетаемого на предыдущей стадии.

Вне зависимости от применяемой технологии нагнетания инъекторы погружают в грунт до приближения фронта горнопроходческих работ. При фильтрационной и кливажной схемах нагнетания, когда используют текучие растворы, предпочтительнее манжетные инъекторы малого диаметра и многоразового применения. При уплотняющем режиме применяют вязкие растворы, при этом требуются инъекторы большого диаметра, которые забиваются раствором на каждом этапе нагнетания и нуждаются в периодическом разбуривании.

Широкомасштабные работы по компенсационному нагнетанию были проведены на строительстве двух подземных линий метрополитена в г. Лиссабоне (Португалия) [56].Трасса тоннелей проходит в плотно застроенной части города под ценными историческими зданиями в толще неоднородных грунтов, представленных сыпучими и плотными песками с прослойками мягких связных грунтов. Глубина заложения тоннелей относительно подошвы фундаментов зданий изменяется от 3,5 до 10,0 м.

Проходку тоннелей вели механизированными щитами с грунтовым пригрузом, а возведение станции - новым австрийским способом. При проектировании компенсационного нагнетания учитывали опы тработ на строительстве тоннелей в Австрии, Германии, Великобритании и Канаде.

Для оценки напряженно-деформационного состояния грунтового массива в результате компенсационного нагнетания были выполнены расчеты методом конечных и граничных элементов. Моделировались все стадии проходки тоннелей и компенсационного нагнетания. Кроме того, были организованы опытные работы в натурных условиях.

Из шахтного ствола в грунт задавили 726 манжетных инъекторов ниже уровня грунтовых вод на расстоянии1,1 м от обделки тоннеля. Нагнетание цементно-бентонитового раствора выполняли в течение 12 сут в две стадии: вначале для создания "строительного подъема", используя для этого только 54 инъектора, а затем для окончательного закрепления массива грунта площадью 364 м2И толщиной 2 м.

Мониторинг смещений осуществляли с использованием электронных и оптических датчиков, прецизионных нивелиров, электроуровней, датчиков давления грунта, вертикальных и горизонтальных инклинометров, мультиэкстензометров.

В результате теоретических и экспериментальных исследований были получены характер распределения и интенсивность прогнозируемых и фактических осадок поверхности земли без компенсационного нагнетания и с нагнетанием при глубине заложения тоннеля 5 и 10 м.

Показано, что применение компенсационного нагнетания приводит к снижению окончательных осадок примерно в два раза. Так, по результатам расчетов и измерений на участке тоннеля с глубиной заложения 5 м осадки по оси выработки снизились с 65 до 51 мм (без преконсолидации) и до 32 мм, а на участке тоннеля с глубиной заложения 10 м - соответственно с 59 до 51 и 22 мм (рис. 30).

Были разработаны рекомендации по установлению оптимальной ширины и толщины слоя закрепленного грунта и его расположению относительно кровли тоннеля и фундаментов зданий.

Результаты расчета методом конечных элементов показали, что при заложении тоннеля на глубине 10 м зону нагнетания следует располагать как можно ближе к поверхности земли, что приводит к минимизации осадок дневной поверхности без дополнительной их компенсации за счет преконсолидации грунтового массива.

Трасса участка строящейся в Лондоне Юбилейной линии метрополитена от станции "Грин Парк" до станции "Ватерлоо" проходит под густо застроенной территорией со множеством зданий, имеющих историческо-архитектурную ценность [57].

В районе Вестминстера при строительстве одноименной пересадочной станции было выполнено компенсационное нагнетание в толщу лондонских глин, подстилаемых слоем гравия. Из пяти шахтных стволов были задавлены манжетные инъекторы с шагом 1 м. Общая длина инъекторов составила около 10 км.

графики снижения окончательных осадок поверхности земли в результате применения компенсационного нагнетания для тоннелей с глубиной заложения 5 м (а) и 10 м(б)

Рис. 30 Графики снижения окончательных осадок поверхности земли в результате применения компенсационного нагнетания для тоннелей с глубиной заложения 5 м (а) и 10 м(б): - без нагнетания; - нагнетание без преконсолидации; - нагнетание с преконсолидацией

Контроль за смещения мигрунтового массива над станционными тоннелями осуществляли с помощью измерительной аппаратуры. Применение компенсационного нагнетания позволило избежать чрезмерных осадок грунтового массива и поверхности земли.

Компенсационное нагнетание применяли также при строительстве станции "Ватерлоо" [58]. Трехсводчатая станция длиной 140 м с путевыми тоннелями диаметром 8 м и средним - 10 м заложена на небольшой глубине от поверхности земли в непосредственной близости от фундаментов зданий и двухпутного железнодорожного тоннеля мелкогозаложения.

Вследствие щитовой проходки станционных тоннелей прогнозировали осадки поверхности земли до 0,2 м, исходя из 2%-ного объема выпусков грунта в забое щита. Компенсационное нагнетание должно было ограничить осадки до 25 мм и защитить наземные здания и сооружения.

В процессе производства работ применили трехстадийное нагнетание, предусматривающее:

    - предварительную консолидацию грунтового массива до начала проходки тоннелей; - фильтрационное нагнетание по время проходки тоннелей для предотвращения распространения смещений до поверхности земли; - контрольное нагнетание для ограничения случайных осадок.

Работы выполняли через шесть временных и три постоянных шахтных ствола, задавливая в грунт горизонтальные манжетные инъекторы (общей длиной около 27 км). Цементно-бентонитовую смесь с добавками силиката нагнетали в шестиметровую зону контакта между пластами галечниковых отложений р. Темзы и лондонскими глинаминад сводом станции.

Во время строительства станции осуществляли мониторинг осадок и нагрузок на несущие конструкции тоннелей с использованием электрических уровней в наклонных и горизонтальных скважинах, электрооптических нивелиров и гидравлических датчиков.

Применение компенсационного нагнетания позволило ограничить осадки наземных сооружений 10- 15 мм, а отклонения их от вертикали 1:1000 и исключить повреждения конструкций. При отсутствии нагнетания осадки могли достигать 50 - 100 мм, что повлекло бы за собой нарушение устойчивости сооружений.

Кливажная технология компенсационного нагнетания была использована также при строительстве ряда подземных объектов в Австрии [59].Так, при возведении трехсводчатой станции длиной 110 м, пролетом 30 м и высотой до 8 м Венского метрополитена в 1992 г. применили новый австрийский тоннельный метод с раскрытием выработки по частям.

Станция заложена в жестких третичных глинах и плотных илистых грунтах на 12 м ниже подошвы фундамента пятиэтажного кирпичного здания административного назначения, построенного вначале XX в. Для производства инъекционных работ из специально пройденной вспомогательной выработки в грунт задавили горизонтальные манжетные инъекторы, расположив их в три яруса примерно посередине между подошвой фундамента здания и шелыгой свода станционного тоннеля.

В первую очередь выполнили предварительное нагнетание для преконсолидации грунтового массива. После этого начали нагнетание укрепляющего раствора в семь этапов в соответствии с технологической последовательностью раскрытия станционной выработки.

В процессе проходки тоннелей и компенсационного нагнетания проводили мониторинг перемещений грунтового массива и состояния наземного здания с помощью деформометров и экстензометров. Кроме того, измеряли осадки поверхности земли на территории прилегающего парка.

По результатам мониторинга было установлено, что по окончании проходки станционных тоннелей осадки непосредственно под фундаментом здания не превышали 35 мм, а за пределами зоны нагнетания составляли 75 - 80 мм. На отдельных этапах нагнетания были зафиксированы "подъемы" здания до 10 мм.

С применением компенсационного нагнетания построены два параллельных однопутных перегонных тоннеля метрополитена в г. Балтиморе (США) [54, 59]. Тоннели диаметром по 5,8 м заложены в толще песчаных грунтов выше уровня грунтовых вод. На одном из участков трасса тоннелей проходит под плотнозастроенной территорией, где около 40 кирпичных зданий, фундаменты которых расположены на 3 м ниже уровня грунтовых вод.

Как показали данные мониторинга, проведение компенсационного нагнетания позволило значительно снизить осадки грунтового массива, которые, согласно прогнозу, могли достигать125 мм над сводом станции и 200 мм на поверхности земли.

Уплотняющее компенсационное нагнетание применили также для предотвращения деформаций и разрушений водопропускной трубы арочного сечения с кирпичной обделкой, залегающей в 4 м над строящимся коммуникационным тоннелем диаметром 3,7 м в г. Миннеаполисе [США] [54].

Проходку тоннеля в плотных песках выше уровня грунтовых вод вели горным способом со стальной арочной крепью и дощатой затяжкой. Для производства работ по компенсационному нагнетанию с поверхности земли и непосредственно из водопропускной трубы были пробурены скважины для нагнетания.

Нагнетание осуществляли постадийно по мере проходки коммуникационного тоннеля. По данным мониторинга, перед подходом забоя тоннеля в контролируемую зону осадки грунта в уровне шелыги свода тоннельной выработки достигали 100 мм, а в уровне подошвы водопропускной трубы - 30 мм. По окончании горнопроходческих работ и компенсационного нагнетания смещения конструкций трубы не превышали 8 мм.

В нашей стране компенсационное нагнетание в широких масштабах не применялось, однако в связи со значительно возросшими объемами подземного строительства в г. Москве и ряде других крупных городов подобная технология должна быть востребована. Так, в связи со строительством крупнейшего Лефортовского тоннеля в г. Москве возникла необходимость выработки защитных мер по ограничению сдвижений и деформаций грунтового массива, поверхности земли и ряда ценных архитектурно-исторических ансамблей.

О необходимости принятия защитных мер свидетельствовали результаты геотехнического прогнозирования и визуальных обследований зданий, которые подвергались опасности деформаций в связи с проходкой тоннеля диаметром 14,2 м в толще слабоустойчивых водоносных грунтов [60].

В качестве наиболее эффективной меры по ограничению осадок и деформаций зданий было признано компенсационное нагнетание [61].Была разработана технологическая схема производства работ по нагнетанию твердеющих смесей в грунтовый массив между кровлей тоннелей и фундаментами зданий.

Для реализации указанной схемы потребовались предварительные исследования, на основе которых были установлены оптимальные режимы и параметры нагнетания, состав смесей и подобраны специализированное технологическое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура.

Опыт применения компенсационного нагнетания в разных странах свидетельствует о его эффективности, гибкости и адаптивности технологии к изменяющимся инженерно-геологическим и градостроительным условиям. Следует отметить, что рассматриваемый метод не заменяет другие методы стабилизации грунтового массива, а лишь дополняет их, обеспечивая возможность минимизации осадок поверхности земли, фундаментов зданий и инженерных коммуникаций непосредственно над строящимися тоннелями путем закрепления ограниченной области грунтового массива.

Результативность метода во многом зависит от правильного назначения места расположения и размеров зоны нагнетания, состава укрепляющих растворов, технологии и режима нагнетания и т. д. в строгом соответствии с конкретными условиями строительства.

Расчетные параметры нагнетания определяются на основе математического моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях. Для контроля за поведением грунтового массива и поверхностных сооружений в процессе проходки тоннеля обязательно проведение геотехнического мониторинга с использованием современной измерительной и компьютерной техники.

Таким образом, применение метода компенсационного нагнетания расширяет возможности тоннелестроителей по ограничению осадок грунтового массива при строительстве городских тоннелей закрытыми способами.

Похожие статьи




Применение компенсационного нагнетания стабилизирующих составов - Строительство тоннелей

Предыдущая | Следующая