Снижение загрязнений грунта при строительстве автодорожного тоннеля

Растущие масштабы хозяйственной деятельности человека ведут к резкому увеличению нагрузки на экосистему регионов. Современное строительство оказывает многостороннее негативное воздействие на экологию. В первую очередь это изменение сложившегося ландшафта и разрушение поверхностного слоя на площадках строительства, что приводит к интенсификации эрозионных процессов и соответственно существенному воздействию как на подземную, так и, в особенности, на поверхностную гидросферу.

Примером негативного воздействия на природную среду являются стройки на побережье Черного моря. Своеобразие и уникальность природы Черноморского побережья определяет высокие требования к экологической безопасности строящихся объектов. В настоящее время в проектах строительства вопросам сохранения природной среды уделяется особое внимание, для чего осуществляется разработка мероприятий для безопасной эксплуатации объектов. Однако   из-за   специфики строительного производства в большинстве случаев реализация этих мероприятий возможна только на завершающих стадиях строительства.

Наибольший вред экосистеме наносится в период производства земляных работ, поскольку изменение ландшафта и разрушение растительного слоя на больших площадях приводит к нарушению сложившегося водостока и усилению процессов размыва грунта.

Производство строительных работ в горных районах из-за больших продольных уклонов и высокой скорости потока (рис. 1) многократно усиливает эрозионные процессы не только на площадках строительства, но и способствует разрушению поверхностного растительного слоя на близлежащих участках из-за изменения направления потоков ливневых вод.

Рис. 1. Нарушение склона горы при строительстве автодороги

Негативное влияние земляных работ не ограничивается загрязнением поверхностных вод. Нарушение сплошности грунта приводит к фильтрации воды в массив и соответственно изменению гидрологических характеристик водных потоков. Поскольку геологическая деятельность подземных вод, представляющих собой сложный электролит с различным содержанием микрокомпонентов, проявляется в растворении, переносе и аккумуляции веществ, то велика вероятность развития карстово-суффозионных и других ущербообразующих геологических процессов.

Таким образом, любое строительство будет сопровождаться нарушением экологического состояния уникального региона. Поэтому основной задачей проектировщиков и строителей должна стать минимизация негативного воздействия на природную среду.

При проектировании объектов совершенствования транспортной инфраструктуры г. Сочи эта проблема отчасти решалась прокладкой ряда участков дорог подземным способом, что позволило значительно сократить нарушения природного ландшафта. Однако в этом случае огромные объемы выемки пород требуют решения вопросов их утилизации.

Решение этой проблемы в большинстве регионов России особых затруднений не вызывает, но в горной курортной зоне утилизация сопряжена с рядом осложнений. Это связано с тем, что в горных районах ущелья и долины сформированы водными потоками и при неблагоприятном стечении обстоятельств едва заметный ручеек может превратиться в бурлящий поток с катастрофическими последствиями. Поэтому изменение существующего рельефа должно сопровождаться мероприятиями по тщательному закреплению склонов насыпей.

Наряду с техническими мероприятиями формирование растительного покрова на откосах, является весьма эффективным способом их закрепления. В то же время интенсивное развитие корневой системы возможно при минимальном загрязнении грунта строительным мусором.

Анализируя проект строительства автодорожных тоннелей №8 и 8а отмечено, что большая часть выработок проходится по наносам, зонам тектонических нарушений и слабым выветрелым скальным породам. То есть практически весь объем извлекаемых пород при проходке выработок протяженностью 3 км подлежит утилизации.

Прохождение тоннелей и вспомогательных выработок в зонах неустойчивых пород предусмотрено с опережающим анкерованием. При строительстве вентиляционной штольни упрочнение пород свода осуществляется формированием защитного экрана из 33 стальных труб диаметром 106 мм, замоноличенных цементным раствором в скважинах диаметром 130 мм и длиной 15 м. После прохождения штольни анкеры защитного экрана вместе с временной крепью замоноличиваются бетоном постоянной крепи.

С целью предотвращения смешений забой выработки упрочняется нанесением на поверхность набрызг-бетона толщиной 5 см и нагнетанием в массив через стекловолоконные трубки диаметром 60 мм и длиной 12 м цементного раствора под давлением 0,2 МПа. Восемьдесят скважин диаметром 100 мм бурятся параллельно оси выработки (рис. 2), а после набора требуемой прочности инъекционным раствором, разрушаются ковшом экскаватора при выемке породы.

Рис. 2. Схема упрочнения пород свода и забоя при прохождении штольни.

На одну заходку длиной 9 м для упрочнения расходуется 38 м3 бетона и цементного раствора, что составляет 3% от извлекаемого грунта. На первый взгляд это весьма малая величина, однако, наблюдения за участками озеленения после строительства объектов, показывают, что при небрежной подготовке территории даже на слое чернозема, формирование растительного покрова первые два три года происходит очень медленно. Кроме этого, в горных районах обеспечить устойчивость откосов насыпей невозможно без применения укрывных материалов. Но наличие обломков цементного камня имеющих, как правило, острые края приводит к разрыву геотекстиля и вымыванию грунта. Учитывая высокие скорости потоков дождевых вод, русла ручьев и рек в районе насыпи, будут интенсивно загрязнятся не только механическими, но и химическими веществами.

Таким образом, задача сокращения содержания включений разрушенного цементного камня в грунте при проходке тоннелей будет способствовать снижению экологического воздействия на окружающую среду.

Поскольку анкеры в сечении выработки предназначены для предотвращения смещений забоя, то оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) массива выполнена моделированием методом конечных элементов. В результате установлено, что большинство анкеров располагающихся в верхней части забоя (рис. 3) не участвует в предотвращении смещений, поскольку не выходят за пределы призмы сползания. Анкеры защитного экрана имеют недостаточный момент сопротивления и не препятствуют передачи давления от вышележащих пород на забой.

Рис. 3. Распределение смещений на модели проектной технологии.

С целью оптимизации параметров упрочнения исследовано несколько моделей упрочнения пород в своде и в сечении штольни. В результате установлено, что наиболее целесообразно увеличить несущую способность анкеров защитного экрана в своде выработки путем установки инъекционных анкеров по технологии «Titan» диаметром 0,25 м с забивкой в инъекционный раствор двух арматурных стеклопластиковых стержней. Это позволит, при расположении анкеров в два слоя, полностью исключить передачу давления от вышележащих пород на забой.

В этом случае, для предотвращения смещений забоя, в сечении выработки достаточно установки пяти полимерцементных анкеров со съемными опорными элементами, разработанными специально для этих целей (рис. 4). Устанавливаются анкера в нижней наиболее нагруженной зоне забоя. Величина деформаций наиболее нагруженной зоны забоя уменьшается с 0,131 м до 0,0014 м.

Рис. 4. Распределение смещений на модели по предлагаемой технологии.

Указанные выше решения позволяют в 12 раз сократить объем засорения извлекаемого грунта цементным камнем и тем самым существенно снизить негативное влияние стройки на экологию района проведения выработок.

This article presents the analysis of the technology of tunnels construction in Sochi and the pollution effects of the soil cement stone on ecological safety. Modeling of stress state of the rock mass is shown the ability to reduce the clogging of the soil construction wastes.

строительство, эрозия, тоннель, грунт, анкер, цементный камень, загрязнение construction, erosion, tunnel, soil, anchor, cement stone, pollution