Обеспечение механической безопасности зданий и сооружений при подземном строительстве линейных объектов в сложных геотехнических условиях

Активное освоение подземного пространства на территориях с плотной застройкой в большинстве случаев является причиной аварий. В мегаполисах стремительно строятся объекты для прокладки коммуникаций, а также линии метрополитена [1]. Наибольшую опасность для зданий и сооружений при подземных выработках вблизи них представляют величины максимальных дополнительных осадок и относительных неравномерностей осадок их оснований. При оценкe воздействия при новом строительстве и реконструкции на объекты сложившейся застройки [2], [3] контролируются следующие параметры: напряженно-деформированное состояние грунтов оснований и строительных конструкций; технологии и условия производства работ; гидрологический режим на площадке строительства и др.

Для корректной оценки напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений при подземном строительстве вблизи них необходимо проводить совместные расчеты зданий с грунтовым массивом [4]. Большинство зданий существующей застройки имеют бескаркасную [5] и каркасную [6] конструктивные схемы, реже встречаются комбинированные или иные. Важно отметить, что при численном моделировании зданий целесообразно использовать нелинейные схемы работы грунтов и материалов конструкций зданий [7]. Применение нелинейных моделей наиболее точно отражает действительную работу грунтов и конструкций [8], [9].

Зависимость расположения выработок по отношению к зданиям на их напряженно-деформированное состояние рассматривалось в работах [10], [11]. Поведение каменной кладки эксплуатируемых зданий при строительстве подземных сооружений оценивалось в исследованиях [12]–[16]. При моделировании конструкций зданий важно учитывать условия их сопряжения [17]–[19] для оценки соответствия результатов численного моделирования натурным данным [20].

К факторам, влияющим на вероятность возникновения аварий, прежде всего, относятся инженерно-геологические [22], [23] и гидрогеологические условия площадки строительства [21, 24], технология ведения работ [25], уровень сложности объекта. Таким образом, обеспечение безопасности зданий и сооружений, попадающих в зону влияния подземного строительства, является первостепенной задачей инженеров. Исследования в области оценки безопасности конструкций описаны в работах [26]–[31].

Научная новизна данной работы заключается в определении силовых факторов, возникающих в конкретных, наиболее подверженных риску конструкциях, в результате технологических осадок основания. При этом используются нелинейные схемы работы материалов грунта и кирпичной кладки. Результаты исследования демонстрируют сходимость численного решения с натурными данными мониторинга. Предполагается, что результаты исследования будут ориентиром для инженеров, занимающихся геотехническими расчетами при оценке влияния проведения земляных работ в стесненных городских условиях.

Объектом исследования является эксплуатируемое здание. Предметом исследования является конструкционная безопасность эксплуатируемого здания.

Цель работы заключается в оценке влияния строительства тоннеля метро на механическую безопасность эксплуатируемого здания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: проанализировать влияние расположения выработки по отношению к зданию на НДС его основных несущих конструкций; определить дополнительные деформации основания здания при проходке тоннеля и усилия в несущих конструкциях в ходе совместного расчета системы «основание-фундамент-сооружение»; сопоставить результаты численного моделирования дополнительных осадок с данными геодезического мониторинга.

• 2    Materials and Methods

В работе рассматривается эксплуатируемое административное здание, под которым ведется строительство наклонного хода метрополитена. Здание построено по бескаркасной схеме и имеет четыре этажа. Ленточный фундамент выполнен из бутового камня. Несущие стены выполнены из керамического полнотелого кирпича. Перекрытия толщиной h= - 0.2 м выполнены из монолитного железобетона. По результатам технического обследования класс прочности бетона плит перекрытий соответствует В20, рабочая арматура – d16 класс А400, шаг 200 мм. План типового этажа, разрез и фасад представлены на Рис. 1.

Fig. 1 - Administration building: cross plan 1-1 (a); face of the building (b); building plan (c); inclined tunnel centerline (d)

Проходка эскалаторного тоннеля под углом 30 градусов осуществляется тоннелепроходческим механизированным комплексом из стартового котлована диаметром 23 м. Ограждение котлована выполнено из железобетонных стен и поперечных диафрагм для рельсовых путей мостового крана. Обделка тоннеля выполняется из сборных железобетонных блоков шириной 1.0 м толщиной 0.4 м. Наружный диаметр наклонного хода – 10.5 м. В месте пересечения оси тоннеля со зданием глубина заложения шелыги свода составляет 26 м.

Инженерно-геологические условия площадки строительства до глубины порядка 30 метров сложены водонасыщенными четвертичными отложениями. Физико-механические характеристики грунтов представлены в табл. 1.

Table 1. Physical and mechanical properties of soils

№ ИГЭ	Наименование грунта	Мощность слоя H, м	Удельный вес грунта γ, кН/м3	Модуль деформации грунта Е, МПа	Угол внутреннего трения φ, град.	Удельное сцепление с, кПа	Число текучести IL. д.е.
1	Пески с мусором	2.9	21	14	29	2	–
2	Пески пылеватые	1.8	20.4	23	32	5	–
3	Пески с супесью	1.2	19.8	15	28	3	–
4	Суглинки легкие текучие	3.0	19.6	6	9	11	1.06
5	Суглинки текучие	3.1	18.3	5	6	8	1.18
6	Суглинки текучепластичные	1.4	19.2	7	11	12	0.86
7	Супеси пластичные	2.0	21.6	10	15	12	0.50

8.1	Суглинки тугопластичные	5.4	20.7	13	16	18	0.39
8.2	Суглинки полутвердые	1.9	20.8	16	18	26	0.15
9	Супеси твердые	2.3	21.6	23	23	35	-0.17
10	Супеси твердые с гравием	1.1	20.8	22	27	50	-0.17
11	Глины твердые	13.5	21.6	35	21	80	-0.62

Для выявления механизма деформаций и повреждений эксплуатируемого здания построена объемная конечно-элементная модель. Для исключения краевых эффектов размеры расчетной области приняты равными 127 м вдоль здания, 70 м вдоль направления проходки тоннеля и 83 по глубине. Конструкции здания и тоннеля, а также инженерно-геологическое напластование моделировались трехмерными конечными элементами.

Работа грунта на контакте с конструкциями моделируется с помощью понижающих интерфейсных коэффициентов R int . Эти коэффициенты отражают снижение величин прочностных характеристик грунтов вследствие технологических воздействий. Значения данных коэффициентов зависят от грунта, материала ограждающей конструкции, метода ее возведения и т.д. и определяются по справочным данным. Для бетонных и железобетонных конструкций R int =0.67. Общий вид конечно-элементной модели грунтового массива, здания и тоннеля представлен на Рис. 2.

Fig. 2 - General view of the numerical finite element model

Расчет дополнительных осадок проводился по следующим этапам:

• 1)    вычисление природных напряжений массива грунта;

• 2)    обнуление перемещений, активация окружающей застройки;

• 3)    поэтапная проходка наклонного хода.

Российскими нормами безопасность существующей застройки гарантируется ограничением максимальных дополнительных осадок (1) и их относительных разностей (кренов) (2) предельными значениями:

n

i jL^iad — a*aU,u , i=0

где Sⁱ ad – величина добавочных деформаций окружающих конструкций из-за влияния i -й группы факторов на основание; S⁰ ad – деформации от предшествующих воздействий при нестабилизированном состоянии основания;

A S ad / L ^ ( A S / L ) u ,

где Δ Sⁱ ad – величина относительных разностей добавочных деформаций окружающих конструкций из-за влияния i -й группы факторов на основание; L – минимальное расстояние между фундаментами соседнего здания.

При этом предельные значения необходимо вычислять для конкретного здания или сооружения при фактическом НДС их конструкций при совместном расчете с основанием. Полученные значения гарантируют сохранность конструкций существующих строений при развитии добавочных деформаций. Наряду с перечисленными основными критериями для оценки геотехнической ситуации применяются косвенные: контроль уровня подземных вод, уровня колебаний грунта.

3 Results and Discussion

По результатам технического обследования основных несущих конструкций здания наиболее дефектной оказалась конструкция плиты перекрытия в уровне четвертого этажа. Причинами возникновения данных дефектов послужили систематические протечки кровли, а также пробивки отверстий в плите перекрытия без проведения защитных мероприятий против коррозии рабочей арматуры. Несущие кирпичные стены и фундамент по результатам обследования находились в удовлетворительном состоянии. Таким образом, при оценке воздействия строительства наклонного хода метрополитена основное внимание уделяется наиболее уязвимой конструкции, то есть плите перекрытия четвертого этажа.

Пролет рассматриваемой плиты перекрытия составляет 6.0 м. Расчетная нагрузка на 1 погонный метр перекрытия на стадии эксплуатации составила 10 кН/м. Плита шарнирно опирается по обеим сторонам. Следовательно, изгибающий момент в середине пролета M 0 = (10x6²)/8=45 кНм.

Сравнивая результаты численного расчета на Рис. 3 с данными геодезического мониторинга на Рис. 4, можно сделать вывод о приемлемой сходимости результатов. Погрешность составила 10%.

Fig. 3 - Results of numerical modeling. Settlements of the foundation

Fig. 4 - Results of geotechnical monitoring. Development of surface grades sedimentation in time

Fig. 5 - Additional stresses in brickwork based on numerical calculation results. Areas of potential cracking are highlighted in red color

Fig. 6 - Defect map based on the results of the technical inspection. Cracks on the facade

По результатам численного моделирования выявлены зоны с дополнительными растягивающими напряжениями в кирпичной кладке (Рис. 5), в которых образуются трещины. Данные результаты согласуются с результатами технического обследования здания (Рис. 6).

На Рис. 7 изображены изополя дополнительных напряжений в плитах перекрытий. Максимальное значение в плите перекрытия 4 этажа составило 400 кПа. Момент сопротивления сечения плиты W=0.0067 м³. Таким образом, приращение изгибающего момента ΔM=400x0.0067=2.68 кНм. Итоговое значение изгибающего момента M и в наиболее дефектной плите составляет 47.68 кНм. Предельное значение изгибающего момента M ult для рассматриваемой плиты равно 75.6 кНм.

Fig. 7 - Additional stresses in floor slabs based on numerical calculation results

На основании зависимости, связывающей величину конструктивного износа со средним значением риска аварии здания, при определенных пороговых значениях риска [32] можно представить модель деградации через силовой фактор – изгибающий момент (Рис. 8).

Fig. 8 - Interpreted slab structure degradation model

Таким образом, в результате проходки тоннеля внутренние усилия в наиболее дефектной конструкции (плите перекрытия 4 этажа) увеличились практически на 5%, что не приводит к переходу здания в качественно иное техническое состояние – из ограниченно работоспособного в недопустимое. В качестве меры по снижению риска аварии необходимо провести текущий ремонт.

По сравнению с железобетонными кирпичные здания более чувствительны к неравномерным деформациям основания ввиду их меньшей прочности и жесткости. Характер разрушений во многом зависит от расположения выработки по отношению к рассматриваемому зданию. В результате неравномерной осадки при проходке наклонного хода метрополитена под частью здания наблюдается характерный вид деформации – раскрытие «веером вверх». при этом возникают трещины по наиболее слабым сечениям – оконным и дверным проемам. Возможными вариантами снижения влияния на деформации здания могут быть корректировка траектории оси тоннеля по отношению к зданию или превентивные компенсационные меры (усиление грунтов основания).

4 Conclusions

Значительное количество разрушений существующих зданий происходит при ведении строительства и реконструкции рядом с ними. В условиях плотной городской застройки дополнительным деформациям оснований зданий предъявляются строгие требования. Необходимо обеспечить безопасное ведение работ, исключить риски возникновения аварийных ситуаций.

На общую величину дополнительной осадки влияют процессы уплотнения грунтов, изменения гидрогеологических условий на территории строительства и различные техногенные воздействия при строительстве и реконструкции. Наибольшую опасность для конструкций окружающей застройки представляют применяемые технологии производства работ. Поэтому при проектировании необходимо принимать наиболее безопасные технологии. При необходимости нужно разрабатывать защитные мероприятия.

• 1.    Для корректной оценки НДС конструкций зданий и грунтов применены нелинейные модели работы материалов. Максимальные осадки грунта коррелируют с натурными значениями геодезического мониторинга.

• 2.    Величины дополнительных внутренних усилий оказались в пределах допускаемых значений риска возникновения аварии, определенных по вероятностной методике [32].

• 3.    Техническое состояние здания признано ограниченно работоспособным, в качестве меры снижения риска возникновения аварии предложено проведение ремонтных работ.