Наблюдающееся в последние десятилетия увеличение тоннельного строительства в условиях плотной городской застройки обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования технических средств и методов защиты от недопустимых осадок зданий и сооружений, встречающихся по трассе тоннелей, сооружаемых закрытым способом.

Большой вклад для решения этого вопроса в нашей стране внесли: Авершин С.Г., Богомолова О.В., Власов С.Н., Воробьев Л.А., Гарбер В.А., Голубев В.Г., Демешко Е.А., Дорман И.Я., Иофис М.А., Ильичев В.А., Конюхов Д.С., Лиманов Ю.А., Маковский Л.В., Меркин В.Е., Муллер В.Ф., Петрухин В.П., Смирнова Г.О., Чеботаев В.В., Шилин А.А., Щекудов Е.В., Яровой Ю.И. и др. За рубежом этот вопрос решался в работах Bezuijen A.F., H.T. Chen., E. Falk., S. P. Kaushish, D. Kolymbas, Y. Kojma, H. Knitsch., R. Kleinlugtenbelt, T. Ramamurthy H.F. Schweiger, T. Telford, L.W.Wong, A.M. Wood, K. Yashiro.

Среди методов защиты зданий и сооружений от деформаций, вызванных строительством тоннелей, особое место занимает укрепление грунтового массива методом компенсационного нагнетания. Принципиальная схема компенсационного нагнетания приведена на рис. 1.

Сущность этого метода заключается в том, что развитие осадок предотвращается путем нагнетания строительных растворов в определенный горизонт грунтового массива между тоннельной выработкой и защищаемым сооружением. Подавая в грунт под давлением стабилизирующий состав, создают «строительный подъем» грунтового массива, компенсируя, таким образом, потери грунта при проходке тоннеля. Нагнетание начинается, как только возникают подвижки грунта с приближением забоя, и продолжается по мере необходимости в течение всего процесса их развития.

Принципиальная схема технологии компенсационного нагнетания

Неотъемлемым элементом метода компенсационного нагнетания является комплексный геотехнический мониторинг, организованный с применением высокоточных измерительных средств.

Положительный опыт применения этого метода накоплен при строительстве станции «Юбилейная» на линии метрополитена в Лондоне, Великобритания, на строительстве метрополитена в Балтиморе, США, при сооружении станций Венского метрополитена, Австрия, при строительстве участка Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского военного училища в Москве, Россия и других странах. Этот метод не требует вскрытия дневной поверхности земли, не нарушает условия городского движения и минимизирует деформации грунтового массива.

Для оценки эффективности рассматриваемой технологии в диссертации были проведены технико-экономические расчеты по сравнению компенсационного нагнетания с другими специальными методами укрепления и стабилизации грунтового массива (химическое закрепление, замораживание, цементация). При этом, на основе данных отечественного и зарубежного опыта, учитывались стоимость материалов, производство работ, трудозатраты, эксплуатация оборудования и др. В результате было выявлено, что применение компенсационного нагнетания требует меньших затрат по сравнению с химическим закреплением – на 25-30%, замораживанием – на 35-40%, цементацией – на 30-35%.

Диссертация направлена на изучение компенсационного нагнетания по фильтрационной схеме, когда инъекции строительного раствора производят в несвязные песчаные грунты с высокой степенью проницаемости. При этом в грунт под давлением 1,2-4,5 МПа нагнетают текучий строительный раствор с высоким содержанием частиц твердой фракции, которые оседают вблизи инъектора, вызывая развитие вокруг него искусственного уплотнения. Жидкая составляющая раствора фильтруется в окружающий грунтовый массив.

Для оценки НДС системы «тоннель-укрепление-массив» в настоящее время широко используют численные методы и, прежде всего, МКЭ, позволяющий решать сложные пространственные геомеханические задачи с учетом неоднородности грунтового массива и его нелинейной работы.

Существует большой выбор программных комплексов, основанных на МКЭ: «PLAXIS», «GEO», «MIDAS GTS», «NASTRAN», «COSMOS/M», «ANSYS» и др. Учитывая сложный характер взаимодействия системы, включающей в себя грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение, а также необходимость учитывать технологическую последовательность выполнения строительных операций, в диссертационной работе было решено использовать программные комплексы «PLAXIS 2D v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2».

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям работы системы «тоннель-укрепление-массив», разработке плоской и пространственной конечно-элементной модели для определения напряженно – деформированного состояния (НДС) этой системы.

Существенный вклад в разработку теоретических и практических основ расчета подземных сооружений на основе МКЭ внесли:

И.В. Баклашов, В.А. Гарбер, Ж.С Ержанов, Ю.К. Зарецкий,

М.Г. Зерцалов, Б.А. Картозия, И.И. Кондауров, С.В. Кузнецов,

Л.А. Розин, С.Б. Ухов, А.Б. Фадеев, В.В. Чеботаев, Н.Н. Шапошников, Е.В. Щекудов, С.А. Юфин и др.

Расчеты проводились с применением комплексов программ

«PLAXIS 2D v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2», разработанных компанией “PLAXIS b/v”. Данные расчетные комплексы предназначены для решения задач инженерной геотехники на основе МКЭ.

Для моделирования работы грунта в диссертационной работе была использована нелинейная упругопластическая модель Мора-Кулона.

Для исследования работы системы «тоннель-укрепление-массив» с учетом особенностей окружающего грунтового массива и технологии строительных работ были проведены две серии численных экспериментов. В качестве исходных данных приняты инженерно-геологические условия, характерные для центральной части г. Москвы. Компенсационное нагнетание по фильтрационной схеме производится в песок среднезернистый.

В первой серии численных экспериментов определяли необходимый для перекрытия зон образования полостей разрыва (цементных линз) и уплотнения грунта шаг скважин компенсационного нагнетания в продольном (относительно оси будущего тоннеля) направлении.

Для этого варьировались следующие факторы.

Шаг скважин компенсационного нагнетания – ? (1,5, 1,3, 1,1, 0,9, 0,7 и 0,5 м).

Положение скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси – отношение a/b, где a и b – расстояния от скважины компенсационного нагнетания до фундамента здания и свода будущего тоннеля соответственно (0,25, 0,50 и 0,75).

Размер буровых скважин был принят по опыту проведения компенсационного нагнетания при строительстве участка Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского училища и составил 0,1 м. В качестве постоянной нагрузки от здания была принята распределенная нагрузка в 25 кН/м2.

Во второй серии численных экспериментов определяли зависимость подъема фундамента здания от следующих факторов.

Положение скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси – a/b (0,25, 0,5 и 0,75).

Относительная глубина заложения будущего тоннеля – отношение H/D, где Н – расстояние от низа фундамента здания до свода будущего тоннеля, D – диаметр будущего тоннеля (1,82, 1,33 и 1,05).

Увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания по сравнению с первоначальным объемом этой скважины – n (110, 115, 120 и 125%).

Таким образом, для первой серии численных экспериментов было запланировано 18 серий расчета, для второй – 36.

Для продолжения дальнейших теоретических исследований работы системы «тоннель-укрепление-массив» была выявлена необходимость в использовании данных, полученных в экспериментальных лабораторных и натурных условиях:

модуль деформации подаваемого под давлением строительного раствора до и после набора им проектной прочности;

плотность раствора для компенсационного нагнетания;

влияние параметров раствора компенсационного нагнетания на форму и размеры формирующейся в грунте укрепленной области.

В третьей главе приведен анализ экспериментальных исследований компенсационного нагнетания с целью получения данных, необходимых для продолжения теоретических исследований.

Использование экспериментальных исследований технологии компенсационного нагнетания позволяет избежать трудностей дальнейших теоретических исследований и получить необходимые для этого данные. Поскольку подобные исследования в России не производились, были использованы результаты экспериментов, выполненных за рубежом. В ходе этих исследований оценивалось влияние состава строительного раствора и давления нагнетания на форму, размеры и характеристики грунтоцементной области, образующейся в грунте при компенсационном нагнетании.

Для испытаний использовался цилиндрический металлический стенд диаметром 0,9 м и высотой 1,0 м, заполненный природным кварцевым песком (рис. 2).

Принципиальная схема стенда испытаний

В верхней части контейнера расположена пластина из поливинилхлорида (ПВХ), которая герметично соединена с этим контейнером с помощью резинового уплотняющего кольца. Инъекционное сопло на стенде соответствует системе для компенсационного нагнетания в натурных условиях.

Для контроля хода проведения экспериментов в контейнере были установлены датчики порового давления и общих напряжений. В процессе испытаний постоянно измерялось увеличение в объеме грунта в контейнере вследствие инъекции раствора и дренажа воды, содержащейся в порах песка. После проведения каждого эксперимента инъецированный раствор в течение четырех дней набирал прочность, после чего окружающий его песок промывался, и становилась видна форма грунтоцементной укрепленной области.