Анализ параметров механизированной проходки тоннелей для определения характеристик перебора грунта

Ведение горнопроходческих работ в условиях современного города требует проведения дорогостоящих мероприятий по обеспечению сохранности существующих зданий [1]. В среднем на 1 км строящейся линии метрополитена Москвы приходится до 17–20 зданий. На основе анализа и сопоставления данных геотехнического мониторинга с результатами геотехнических расчетов для подземного строительства открытым и закрытым способами в условиях плотной городской застройки выявлена неудовлетворительная сходимость расчетных и фактических данных. Основными факторами этого явления являются такие, как: недостаточность данных инженерно-геологических изысканий; несоответствие принимаемой расчетной модели реальному поведению грунта под нагрузкой; недостаточная квалификация исполнителей; перебор грунта.

Анализ материалов геотехнического мониторинга и их сопоставление с результатами расчётов, определяющих влияние подземного строительства на здания и сооружения окружающей застройки, показывает, что для объектов такого рода, возводимых открытым способом в котлованах глубиной до 9–12 м, сходимость между расчетными и фактическими данными не превышает 60 %. При строительстве объектов метрополитена в котлованах глубиной до 35 м сходимость достигает 32 %, при проходке тоннелепроходческими комплексами (ТПМК) условным диаметром 6 м – 70 %, при проходке ТПМК условным диаметром 10 м – 7 %. Представленные данные свидетельствуют о необходимости совершенствования как расчетных методик, так и методик геотехнического мониторинга [2–4]. Основные причины неудовлетворительной сходимости геотехнических расчётов и фактических данных геотехниче-

ского мониторинга были выявлены в более ранних исследованиях [5–7].

При моделировании закрытого способа строительства важное значение имеет параметр, зависящий от технологии производства работ, – это перебор грунта. Указанный расчетный параметр задается при моделировании деформаций грунтового массива как характеристика проходки выработки закрытым способом, равная отношению площади удаляемого при проходке грунта, расположенного в пределах контура выработки, к площади поперечного сечения выработки [8].

В более ранних исследованиях показано, что причиной перебора грунта при проходке тоннелей закрытым способом являются [9, 10]:

• 1.    Несоответствие диаметра резания наружному диаметру обделки. При применении ТПМК с внешним расположением рабочего органа (что характерно для большинства современных ТПМК с активным пригру-зом забоя), в среднем диаметр ротора на 3–5 % больше диаметра обделки тоннеля.

• 2.    Перемещения грунтового массива перед забоем. Этот фактор характерен в первую очередь для щитов без активного пригруза забоя, а также при переборе грунта.

• 3.    С перебором грунта связан и человеческий фактор, т. е. недостаточная квалификация персонала.

• 4.    Неполное заполнение тампонажным раствором заобделочного пространства.

• 5.    Отсутствие заполнения или неполное заполнение пространства за оболочкой щита глинистым или медленно твердеющим тампонажным раствором.

Необходимо к этому перечню добавить еще один фактор:

Все перечисленные факторы свидетельствуют о том, что перебор грунта приводит к технологическим деформациям поверхности [11].

Konyukhov D. S. Analysis of mechanized tunneling parameters...

Модели определения коэффициента перебора грунта при механизированной проходке тоннеля

Объём потерь грунта (коэффициент перебора V_L ) принято определять как отношение площади оседания поверхности V_s к площади поперечного сечения тоннеля F_t :

V

V l = V 1000%.               (1)

F t

Основные положения в области прогнозирования коэффициента перебора были изложены в более ранних исследованиях [9]. Позднее показано, что V_L может быть определён только на основании данных натурных наблюдений, и для слабых грунтов величина потерь грунта не превышает 2 % [12]. В работе [13] приводятся данные о зависимости V_L от диаметра тоннеля, глубины его заложения и инженерно-геологических условий строительства при прокладке тоннелей диаметром до 4 м на глубине до 8,1 м.

Исследования [14, 15] показали, что при проходке ТПМК с грунтовым пригрузом забоя диаметром 9,15 м в водонасыщенных песках, перекрытых сверху мергелями, V_L не превышает 0,3…0,5 %. Действующими в России нормативными документами¹ величины коэффициента перебора при строительстве тоннелей диаметром до 4 м нормируются в зависимости от типа грунта в забое в размере от 1,5 до 5,5 % в зависимости от типа грунта в забое щита. Указанные величины существенно превышают значения V_L , полученные зарубежными исследователями [12, 14, 15].

Необходимо учитывать, что в настоящее время при проходке тоннелей метрополитена механизированным способом в условиях плотной городской застройки:

• –    глубина заложения тоннеля составляет в основном не менее 1 d ( d – диаметр тоннеля), при этом в своде тоннеля располагаются песчаные или глинистые грунты;

  – конструкции ТПМК с грунтовым пригрузом забоя, используемые в основном при проходке тоннелей метрополитена в нескальных грунтах (из всего парка ТПМК г. Москвы: 24 имеют грунтовый пригруз забоя и 1 – бентонитовый), предполагают нагнетание тампонажного раствора через хвостовую часть оболочки одновременно с продвижением щита.

Таким образом, на основании анализа ранее выполненных исследований можно заключить, что при механизированной проходке тоннелей на величину коэффициента перебора грунта влияют:

• –    относительная глубина заложения тоннеля h / d ;

• –    связность грунта;

• –    отношение величины зазора между диаметром режущего органа ТПМК и наружным диаметром обделки.

Цифровые расчетные модели технологических процессов и состояния горного массива и при проходке ТМПК в условиях городской застройки реализуются в программных комплексах PLAXIS, GEOWALL, COMSOL и другие [16, 17]. Для повышения достоверности цифровых моделей также большое значение имеет определение параметров перебора грунта при проходке.

Результаты геотехнического мониторинга при проходке перегонных тоннелей

В качестве примера рассмотрим результаты мониторинга при проходке перегонных тоннелей Некрасовской линии и Западного участка Большой Кольцевой линии (БКЛ) Московского метрополитена.

При проходке Западного участка БКЛ был задействован ТПМК «ROBBINS» с грунтовым пригрузом забоя, диаметром рабочего органа d_r = 6,6 м и диаметр тоннеля d = 6,3 м.

Коэффициент ζ , характеризующий соотношение величины зазора между диаметром режущего органа ТПМК d_r и наружным диаметром обделки d к диаметру тоннеля

, d, - d z=-di ® равен 0,048.

Проходка осуществлялась в водонасыщенных песках мелких и средней крупности.

Эмпирический коэффициент перебора V_le рассчитывался методом обратного анализа по зависимости

S_fl \ Z. Я

Vie = S~ ’

где s f – фактическая осадка в точке наблюдений, расположенной на расстоянии i от оси тоннеля; S – площадь забоя.

Приведенный коэффициент перебора V_Lp рассчитывался по выражению

n

S VipSi v =                          (4)

VLp      S где Si – площадь участка забоя с коэффициентом перебора Vlpi.

Результаты расчёта коэффициентов перебора в виде графических зависимостей (h )

V L = fT, ^                (5)

к d r   7

приведены на рис. 1 и 2.

При строительстве Некрасовской линии метрополитена от ст. «Окская улица» до ст. «Стахановская улица» применяли ТПМК «Herrenkneht TMB EPB» с грунтовым пригрузом забоя, диаметром рабочего органа dr = 10,69 м, диаметр тоннеля d = 10,3 м, и коэффициент ζ = 0,038. Перегонные тоннели располагаются в основном в верхнеюрских глинах, однако шелыга свода практически на всём протяжении трассы вскры- вает четвертичные отложения.

2022;7(1):49–56                                              Конюхов Д. С. Анализ параметров механизированной проходки тоннелей...

Эмпирический                Приведенный

Линейная (эмпирический)       Линейная (приведенный)

Рис. 1. Зависимость эмпирического V_le и приведённого V_lp коэффициентов перебора от относительной глубины заложения тоннеля h / d_r при проходке ТПМК с условным диаметром 6 м

Эмпирический               Приведенный

Линейная (эмпирический)      Линейная (приведенный)

Рис. 2. Зависимость эмпирического V_le и приведённого V_lp коэффициентов перебора от коэффициента ζ при проходке ТПМК с условным диаметром 6 м

На соседнем участке, от ст. «Косино» до ст. «Юго-Восточная», проходку вели ТПМК «Herrenkneht TMB EPB» с грунтовым пригрузом забоя, диаметром рабочего органа d_r = 10,82 м, диаметр тоннеля был d = 10,5 м, коэффициент ζ = 0,03. Максимальная дополнительная осадка здания, под фундаментами которого на глубине 13 м прошёл ТПМК, составила 6,7 мм [18].

Значения эмпирического коэффициента перебора на этих участках варьировались от 0,5 до 1,25% в зависимости от глубины заложения тоннеля и инженерно-геологических условий в забое.

На рис. 3 и 4 приведены обобщенные зависимости (5) для ТПМК условным диаметром 4–10 м.

Необходимо отметить, что коэффициент ζ не является достаточно надежной характеристикой вследствие постоянства значений ζ для разных типов ТПМК, в то же время величина коэффициента перебора зависит от диаметра ТПМК.

Методом обратного анализа установлены эмпирические величины коэффициента перебора для ТПМК условным диаметром 4…10 м. Значение эмпирического коэффициента изменяется в пределах от 0,5 % (для ТПМК с условным диаметром 10 м) до 5 % (для ТПМК с условным диаметром 4 м). Приведённые на рис. 3

графические зависимости позволяют при проходке в смешанных грунтах рассчитывать коэффициент перебора в зависимости от относительной глубины заложения тоннеля по эмпирическому выражению

h

V_k = 0,49 - + 0,96. (6)

Аналогичная зависимость между эмпирическим и приведённым коэффициентами перебора имеет вид

V le = 0,69 V lp + 0,53 (7) и позволяет, базируясь на нормативных значениях СП 249.1325800.2016 «Коммуникации подземные. Проектирование и строительство закрытым и открытым способами» (Приказ Минстроя России от 8 июля 2016 г. № 485/пр), рассчитывать эмпирический коэффициент перебора с учётом инженерно-геологических условий по трассе проходки.

На основании проведённых исследований предложена схема расчёта коэффициента перебора, представленная на рис. 5. Эта схема предусматривает расчет коэффициента перебора грунта на основе различных зависимостей, учитывающих однородность грунта, устанавливаемой на основе анализа инженерно-геологических условий в забое.

Konyukhov D. S. Analysis of mechanized tunneling parameters...

Эмпирический               Приведенный

— Линейная (эмпирический) ----Линейная (приведенный)

Рис. 3. Обобщённая зависимость эмпирического Vle и приведённого Vlp коэффициентов перебора от относительной глубины заложения тоннеля h/dr при проходке тоннелей диаметром 4–10 м ТПМК с активным пригрузом забоя

Эмпирический               Приведенный

—Линейная (эмпирический) ---Линейная (приведенный)

Рис. 4. Обобщённая зависимость эмпирического V_le и приведённого V_lp коэффициентов перебора от коэффициента ζ при проходке тоннелей диаметром 4–10 м

ТПМК с активным пригрузом забоя

Рис. 5. Схема расчёта эмпирического коэффициента перебора V_le

ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ                                   https://mst.misis.ru/

2022;7(1):49–56                                              Конюхов Д. С. Анализ параметров механизированной проходки тоннелей...

Заключение

Методом обратного анализа установлены эмпирические величины коэффициента технологического перебора грунта для щитов с условным диаметром 4…10 м. Значение эмпирического коэффициента изменяется в пределах от 0,5 % (для щитов с условным диаметром 10 м) до 5 % (для щитов с условным диаметром 4 м). Показанная на рис. 5 схема расчета позволяет определять коэффициент технологического перебора при проходке тоннелей щитами с активным пригрузом забоя с учётом диаметра ТПМК и типов грунтов, слагающих забой тоннеля (однородные, неоднородные).

Предлагаемый метод был успешно реализован при строительстве перегонных тоннелей Некрасовской и Большой Кольцевой линий Московского метрополитена. Оптимизация мероприятий по обеспечению сохранности существующих зданий в комплексе с научно-техническим сопровождением подземного строительства позволила примерно на 6 мес. сократить срок проходки перегонов между станциями «Окская» и «Нижегородская» Некрасовской линии, а также обеспечить экономию порядка 2,5 млрд руб.