автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Особенности деформирования грунтового массива и сооружений при строительстве мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей в городских условиях

На правах рукописи

4841ЯО#

Тупиков Максим Михайлович

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА И СООРУЖЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕЛКОЗАГЛУБЛЕННЫХ КОММУНИКАЦИОННЫХ ТОННЕЛЕЙ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ

05.23.02 - основания и фундаменты, подземные сооружения.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

О 1 Г ' « О

^ I им. ¿011

4841587

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Ильичев Вячеслав Александрович

Официальные оппонен- доктор технических наук, ты: с.н.с.

Кузахметова Эмма Константиновна

кандидат технических наук, доцент

Конюхов Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Защита состоится « 2 » марта 2011г. в ч. На заседании диссертационного совета ДМ 218.005.05 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Россия, ГСП-4, г. Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения. Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан ¿¿/е&у^с- 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат техн. наук, доцент

2

Шавыкина М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Возрастающие темпы освоения подземного пространства в Москве актуализируют задачу сооружения сервисных тоннелей и перекладки коммуникаций, связанную с сооружением коммуникационных тоннелей мелкого заложения щитовым способом. Условие плотной городской застройки обуславливает внимание к влиянию их строительства на существующие здания и сооружения и коммуникации. Исследование влияния на перемещения поверхности грунта и оснований зданий и сооружений при подземном строительстве, в том числе коммуникационных тоннелей, является важной задачей.

Актуальность темы исследований обусловлена проблемой обеспечения сохранности окружающей застройки, в том числе коммуникаций, в стесненных городских условиях при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения, вопросы влияния которого на деформации поверхности грунта и сооружения мало изучены и требуют дополнительных исследований. Выбор темы данной работы продиктован поставленными строителями и проектировщиками города Москвы задачами по решению этой проблемы, в том числе перед AHO АНТЦ РААСН.

Основная идея работы заключается в определении и минимизировании влияния сооружения коммуникационных тоннелей мелкого заложения на существующую застройку. В связи с этим было необходимо провести исследования влияния на величины перемещений поверхности грунта и зданий строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения, разработать методы для их оценки и прогноза и разработать рекомендации по снижению осадок зданий окружающей застройки.

Проведенные автором исследования направлены на реализацию этой идеи.

Цель работы: установить закономерности деформирования грунтового массива при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения, разработать метод прогноза деформаций зданий и сооружений и на этой основе дать рекомендации по обеспечению их сохранности.

Основными задачами работы являются: • исследование возможности применения существующих эмпирических зависимостей, разработанных для глубоких транспортных тоннелей большого диаметра, к прогнозированию

влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на осадки поверхности;

• адаптация существующих эмпирических зависимостей для прогнозирования деформаций поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения методом щитовой проходки;

• установление экспериментально-аналитических зависимостей для прогнозирования осадок существующих зданий при проходке коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• определение зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на существующие здания;

• разработка рекомендаций по снижению осадок существующих строений при прокладке под ними или рядом коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Научная новизна.

1. Впервые установлены закономерности для перемещений поверхности грунтового массива при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

2. Исследовано влияние инженерно-геологических условий и глубины проходки на величину зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

3. Решена задача о балке на упругом основании при заданном смещении линии опор, описывающем вертикальные перемещения дневной поверхности грунта, вызванные строительством коммуникационных тоннелей мелкого заложения щитовым способом.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• разработан метод прогноза перемещений поверхности путём применения корректирующих коэффициентов к существующим эмпирическим методам прогноза для глубоких транспортных тоннелей большого диаметра;

• составлены графики деформации поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения для семи типов инженерно-геологических условий города Москвы;

• установлены значения ширины зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг при строительстве коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• разработан экспериментально-аналитический метод прогноза деформаций зданий в зоне влияния коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• составлены таблицы для инженерных расчетов осадок зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Результаты работы внедрены:

• при проектировании и строительстве московских объектов, в том числе при сооружении коллектора дождевой канализации вдоль улицы Грузинский вал;

• на базе проведённых исследований составлены Рекомендации «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений» (работы выполнялись в AHO АНТЦ РААСН по заказу ОАО «Мосинжпроект»).

Методологической базой исследований является анализ взаимодействия системы «здание-основание-

коммуникационный тоннель» путем проведения экспериментальных (натурных и численных) исследований, а также аналитического решения задачи о деформациях основания здания при прокладке коммуникационного тоннеля мелкого заложения, с использованием моделей современной механики грунтов и строительной механики, методов интегральных исчислений.

Для решения сформулированных задач использованы методы линейной теории упругости, строительной механики и интегральных исчислений.

Достоверность научных положений, выводов и рекоменда-' ций определяется применением основных положений и моделей классической механики грунтов, высокоточных измерительно-регистрирующих приборов, использованием лицензированных компьютерных программ, сопоставлением теоретических исследований с данными натурных экспериментов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

• на 17-м международном конгрессе по геотехнике в Александрии в 2009 г.;

• на научно-практической конференция "Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаменто-строения" в СПбГАСУ в Санкт-Петербурге в 2010 г.;

• на научно-практической конференции «Неделя науки-2010. Наука МИИТа - транспорту» в 2010 году;

• на 20-й Европейской конференции молодых геотехников в Брно в 2010 г.

На защиту выносятся

совокупность научных положений, на базе которых разработана методика прогнозирования деформаций поверхности грунта и зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения и назначения защитных мероприятий для зданий при проходке под ними коммуникационных тоннелей мелкого заложения, включающая в себя:

• метод прогноза деформаций поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• экспериментально-аналитический метод расчёта осадок зданий при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• расчет зоны влияния, то есть зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• рекомендации по снижению осадок для зданий при прокладке под ними коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Публикации.

По материалам выполненных исследований опубликовано 5 работ, из них 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для кандидатских диссертаций.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов -общим объемом 184 стр. печатного текста, включая 105 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 102 наименований и четырех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы исследований, сформулирована цель работы, обозначены решаемые автором задачи, обоснована достоверность полученных результатов. Кроме того, диссертант доказывает научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе диссертации дан анализ состояния вопросов, направленных на оценивание деформаций грунтового массива и оснований зданий при прокладке тоннелей и обеспечение сохранности существующей застройки в зоне их влияния. А именно: изучение характера развития перемещений грунтового массива (численными, эмпирическими и аналитическими методами) в условиях «зелёной лужайки» (без зданий на поверхности), а также деформаций оснований зданий при прокладке тоннелей; прогноз деформаций грунтового массива и оснований зданий при сооружении тоннелей; применение защитных мероприятий для зданий.

Результаты численного моделирования деформаций земной поверхности при проходке тоннелей, в том числе с учетом окружающей застройки, приводят в своих работах R.B. Peck, P.B.Attewell, J. Yeates, A.R. Selby, R.J. Mair, R.N. Tailor, A.Bracegirdle, D.I. Harris, A.S.Sammal, D.M.Potts, T.I.Addenbrooke, H.J.Burd, D. Dias, R.Kastner, H. Netzel, C.Moormann, R.Katzenbach, Melis, R.Ortiz, A. Burghinoly, W.Lacarbonara, Ю.И.Яровой, Н.С.Булычев, В.А.Ильичев, И.В.Колыбин, Д.Е.Разводовский, B.B. Речицкий, Н.Н.Фотиева, Н.С.Никифорова, Д.А.Внуков, В.В.Чеботаев, В.М.Ауэрбах, О.Н.Исаев, В.И.Шейнин, В.В.Савицкий и многие другие авторы. Аналитическими методами прогнозных расчетов параметров мульды сдвижения в разное время занимались Ю.А.Лиманов, G.B.Jeffery, Г.И.Черный, А.Д.Сашурин, Аунг Мо Хейн.

Первым близко аппроксимирующую кривую вертикальных деформаций грунта при устройстве тоннелей зависимость, с помощью которой можно было бы оценивать влияние проходки тоннелей щитовым способом, предложил R.B.Peck. В соавторстве с ним J.B.Burland, J.R.Standing и F.M.Jardine приводят формулы для вычисления осадки и горизонтального смещения поверхности над тоннелем, в том числе для максимальной вертикальной осадки над тоннелем и для расстояния до точки перегиба на графике осадки поверхности над тоннелем. Авторами Clough и Schmidt была предложена альтернативная зависимость для вычисления расстояния до точки перегиба на графике осадки поверхности. Формула R.B.Peck является исходной для дальнейших исследований в части прогноза перемещений при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

D.M.Potts, T.LAddenbrooke, G.N.Franzius, D. Simic предложили ввести в расчеты коэффициенты, учитывающие жесткость здания в поперечном и продольном направлениях. Это позволило получить удовлетворительную сходимость расчетных и замеренных осадок зданий. В.И. Шейнин, А.Н.Пушилин численным методом решили задачу о деформациях здания над тоннелем, которое моделируется балкой или балкой-стенкой.

В публикациях не приводится метод расчёта, позволяющий с помощью формул определять деформации зданий при строительстве тоннелей, в том числе коммуникационных мелкого заложения.

Проблемой снижения влияния на поверхность грунта и окружающую застройку при сооружении подземных выработок путём применения комплекса мер по защитным мероприятиям занимались многие специалисты: Петрухин В.П., Исаев О.Н., Никифорова Н.С., Внуков Д.А., Коновалов П.А., Harris D.I., Mair R.J., Love J.P., Tailor R.N., Henderson Т.О., Bilotta E., Russo G., Viggiani С., Мозгачева O.A., Шулятьев O.A. и многие другие авторы. Рассматриваются два основных варианта применения защитных мероприятий: 1) случай, когда здание располагается непосредственно над трассой проходки тоннеля, 2) случай, когда здание находится на некотором расстоянии от трассы проходки тоннеля, но попадает в зону влияния сооружаемого тоннеля.

Для снижения деформаций зданий при устройстве тоннелей производится усиление тела фундаментов существующих зданий сваями. Также для целей снижения деформаций оснований зданий служит компенсационное нагнетание цементного раствора в грунт. Для второй схемы взаимного расположения тоннеля и здания, главным образом, практикуется сооружение отсечных экранов.

Таким образом, резюмируя вышеизложенное, можно определить перечень вопросов, требующих дополнительных исследований:

• установление закономерностей перемещения грунтового массива при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• прогноз перемещений поверхности грунта при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения и определение

зоны влияния их строительства, то есть зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг;

• прогноз деформаций оснований зданий при устройстве коммуникационных тоннелей мелкого заложения под ними или рядом с ними;

• разработка комплекса мер по снижению осадок, вызванных сооружением мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Во второй главе приведены исследования автора, направленные на получение зависимостей для перемещений грунтового массива при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения, к которым относятся тоннели диаметром 3+4 м и глубиной заложения 4+8 м с относительной глубиной заложения НЛ)= 1+2,5 (рис.1). Далее приводится описание объектов натурных и численных исследований, данные по которым были получены в том числе при участии диссертанта (табл.1).

Таблица 1

№ Объект Инженерно-геологические условия % н, м п, м Х= =НЛ)

1 Коллектор дождевой канализации на ул. Грузинский вал. Створ № 1 Насыпные пески -0,5 м; Пески от пылеватых до крупных, рыхлые и ср. плотности, водонасыщекные -до 12 м; УПВ -2...4 м 2,6 4 4 1

2 Коллектор дождевой канализации на ул. Грузинский вал. Створ .Ча 4 Насыпные пески - до 5 м; Пески от пылеватых до крупных, рыхлые и ср. плотности, водонасы-щенные - до 12 м; УПВ -2м 4,3 4,5 4 1,13

3 Коллектор на п/ст. "Ильинская". Разрез 1 Песок средней крупности со строительным мусором -2 м; песок средней крупности - 1 м, средней плотности, влажный и насыщенный водой, глина пыле-ватая, полутвердая-до 8 м; УПВ-3 м 5 5,4 3,2 1,69

4 Коллектор «Но-вобратцево-Войко-вская». Участок между камерами №5-№7 Насыпные пески - 3 м; Мягко-пластичные глины -2 м; Далее пески мелкие; УПВ - 1,5...4 м 1,1 6 3,5 1,71

N У Н СО П

I

-¡Г

Р=ЗЧ м Д =

Ям

Рис.1. Тоннель мелкого заложения

Окончание таблицы 1

5 Строительство коллектора от п/ст Угреша. Разрез № 4 насыпь - 0,50 м, песок до низа расчетной области; аллювиальные и флювиогляциальные пески средней крупности, крупные и гравелистые, влажные и водона-сыщенные, пылеватые и мелкие, влажные, средней плотности-до 12 м; УПВ-3 м 5 5,5 3,2 1,72

6 Строительство коллектора от п/ст Угреша. Разрез № 3 насыпь - 1,30, песок до низа расчетной области; аллювиальные и флювиогляциальные пески средней крупности, крупные и гравелистые, влажные и водона-сыщенные, пылеватые и мелкие, влажные, средней плотности-до 10 м; УПВ-3 м 5 5,77 3,2 1,80

7 Строительство коллектора от п/ст Угреша. Разрез № 2 насыпь - 2,5 м, песок до низа расчетной области; современные аллювиальные пески мелкие глинистые и пылеватые, водона-сыщенные, средней плотности-до 10 м; УПВ-3 м 5 6,07 3,2 1,90

8 Коллектор на п/ст. "Ильинская". Разрез 3 Песок средней крупности со строительным мусором -2 м; Глина пылеватая, полутвердая -3,8 м, Песок средней крупности, средней плотности, влажный и насыщенный водой-до 8 м; УПВ-2,5 м 5 7,4 3,2 2,31

9 Строительство коллектора от п/ст Угреша. Разрез № 5 насыпь - 4,60 м, торф - 0,7 м, песок до низа расчетной области; аллювиальные и флювиогляциальные пески средней крупности, крупные и гравелистые, влажные и водонасыщенные, пылеватые и мелкие, влажные, средней плотности-до 10 м; УПВ-3 м 5 7,4 3,2 2,31

10 Коллектор «Но-вобратцево-Войков-ская». Участок между камерами №10-№13 Насыпные пески - 1,5-2 м; Пески средней крупности - 3...4 м, УПВ-4...5 м 2,2 7 3 2,33

11 Коллектор от п/ст "Золотарев-ская". Сечение 5 Супесчано-суглинистые грунты насыпного слоя - 6,3 м; Суглинок пылеватый мягкопластичный -1,4 м; Песок мелкий средней плотности-до 4,.6 м; УПВ-3 м 3 8,1 3,2 2,53

12 Коллектор от п/ст "Золотарев-ская". Сечение 1 Супесчано-суглинистые грунты насыпного слоя -1,5 м; Суглинок пылеватый тугопластичный - 1,5 м; Суглинок песчанистый мягко-пластичный- 4 м; УПВ-3..4 м 2 5,4 3,2 1,68

Согласно экспериментальным данным значения коэффициентов перебора грунта при сооружении коммуникационных тоннелей имеют зависимость от относительной глубины заложения H/D. С её возрастанием значения коэффициентов перебора грунта уменьшаются. Анализ данных также показал, что наличие насыпного слоя и условие близости проходки щитового комплекса к нему существенно влияют на значения коэффициента перебора грунта. Если щит проходит близко к насыпному слою или идёт в нём, значения коэффициентов перебора грунта возрастают. Для гидрогеологических условий значения коэффициента перебора грунта тем меньше, чем ниже уровень подземных вод.

Приведено сопоставление замеренных осадок поверхности в условиях «зеленой лужайки» (без зданий на поверхности) с расчётными значениями, полученными по формулам эмпирического метода прогноза деформаций поверхности над транспортными тоннелями глубокого заложения большого диаметра, предложенного PeckR.B., далее развитого Burland J.В., Standing J.R. and Jardine F.M., и его модификации, разработанной Clough G. W. и Schmidt В. (Рис.2).

в) г)

Рис.2. Графики осадки поверхности, построенные по эмпирическим формулам Peck R.B. и др. (1969) (1 - на рисунке), Clough и Schmidt (1981) (2 - на рисунке) и замеренные (3 - на рисунке), при строительстве коммуникационного коллектора «Новобратцево-Войковская» между камерами №5-7 (а), №10-13 (б), на ул. Грузинский вал, створ № 1 (в), створ № 4 (г)

Результаты сопоставления показали возможность использования двух рассмотренных методов к исследованию деформаций поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения с корректировкой коэффициентов. Для предварительных прогнозов и дальнейших исследований автором был выбран эмпирический метод Peck R.B. et al, так как графики осадок этого метода показали однообразное отклонение от графиков натурных наблюдений.

Для получения корректирующих коэффициентов к формуле Peck R.B. были найдены методом наименьших квадратов аппроксимирующие кривые для объектов численных и натурных исследований следующего вида

Av(x) = A-e-Bx\ 0)

где А и В - параметры, найденные при аппроксимации кривой осадки.

На базе объектов натурных и численных исследований получены корректирующие коэффициенты для параметров формулы эмпирического метода Peck R.B. et al

С] (х) = 1,525 -1,147 • % + 0,353 • %2.

(2)

С2(х) = 1,23-0,871-х + 0,212-х2

На основе эмпирического метода Peck R.B. et al разработан метод прогнозирования деформаций поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения, представленный формулой для осадок поверхности грунта:

Sv(y) = C1.Svnaxxe-^_ С3)

»

Здесь Svmax и 1х - параметры, получаемые по стандартной

процедуре метода Peck R.B. et al.

В третьей главе приводятся результаты изучения деформаций грунтового массива при сооружении коммуникационных тоннелей в условиях тесной городской застройки в инженерно-геологических условиях города Москвы. Представлены выделенные по характеру напластования грунтов семь наиболее характерных геологических разрезов для Москвы, составленных диссертантом при участии В.А.Ильичева, П.А.Коновалова и

Н.С.Никифоровой на основе данных ГУП «Мосгоргеотрест». Для них характерно наличие большого слоя насыпного грунта, песков от мелких до крупных, средней плотности и плотных с включениями глин и суглинков от мягко- до тугопластичных.

Для ориентировочных расчётов деформаций поверхности автором были построены с применением полученного метода прогнозирования осадок поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения графики осадки, относительной неравномерности осадок, кривизны поверхности, горизонтальных перемещений поверхности (рис. 3) над коммуникационными тоннелями мелкого заложения для семи характерных инженерно-геологических разрезов Москвы. Это было отражено в рекомендациях «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений» AHO АНТЦ РААСН (2007).

¡2«

/ Л/ / У I V Л'/// ✓ / ]

yy/w/y/-/уу-Л

У У '/ У ; У/ /У,

"/ у /

'Л

«Tyratnat-j К-МЧ

0=4 м; V,=2%; Н=4 ■: 8 [м]

Оссдки поверхности

г 3)

utU(x), [ц] 'ориэонтальны! пер^еилж«

б)

141 . ■ 0<ммеройнанермо£П* осты

■ U : I-1

' у' " ' '

Ш!

в) г)

Рис. 3. Пример построенных графиков деформаций оснований при проходке коммуникационных тоннелей мелкого заложения для I типа инженерно-геологических условий города Москвы (Диаметр коллектора Э = 4 м; коэффициент перебора грунта 2%; глубина заложения коллектора Н = 4 8 м): а)Схема разреза; б) Графики осадки поверхности; в) Графики горизонтальных перемещений поверхности; г) Графики относительной неравномерности осадок поверхности

Значения коэффициента перебора грунта приняты от 1% до 3%. Глубина заложения мелкозаглубленного коммуникационного тоннеля варьируется от 4 до 8 м. Вычислены ориентировочные значения максимальных осадок поверхности (от 5 от 120 мм) и значения ширины зоны влияния в зависимости от глубины продольной оси тоннеля 2о (от 1,2 г0 до 2,5 г0) (рис.1).

Четвёртая глава диссертации посвящена разработке экспериментально-аналитического метода расчета деформаций зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения. Для определения осадок зданий при прокладке коммуникационного тоннеля мелкого заложения было необходимо установить зависимость, включающую такие параметры, как вес здания, его жёсткость, удалённость от шелыги коммуникационного тоннеля, глубину и диаметр коммуникационного тоннеля и деформируемость грунта. Для этого была решена задача о балке на упругом винклеровском основании с заданным смещением линии опор, описанным формулой вертикальных перемещений упомянутого выше составленного метода прогнозирования деформаций при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения. Здание поперечного расположения в плане относительно трассы коммуникационного тоннеля моделировалось балкой бесконечной (для случая, когда здание располагается над трассой тоннеля, рис.4а) и полубесконечной длины (когда здание расположено на некотором расстоянии по поверхности грунта от оси тоннеля, рис.4б). Аналогичный подход предложен и применен в диссертации на соискание докторской степени Никифоровой Н.С. для прогнозирования деформаций зданий в зоне влияния глубоких котлованов.

q

Рис. 4. Схема взаимного расположения балки бесконечной (а) и полубесконечной (б) длины и коммуникационного тоннеля мелкого заложения с заданным смещением линии опор f(x).

EJ + к • у (x) = q(x) + к • f (x) (4)

Дифференциальное уравнение изгиба балки при суммарном воздействии нагрузки на балку и заданного смещения опор балки имеет вид:

■ dVCx)

dx4

где EJ - изгибная жесткость балки; к - коэффициент постели основания; q(x) - нагрузка на балку; f(x) - заданное смещение линии опор балки (осадка поверхности грунта при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения).

Граничные условия в случае бесконечной балки имеют вид (5). Балка загружена сосредоточенной силой Р. Ввиду симметричности рассматривается только правая часть балки.

™d3y, Р , dv,

(J)

Дифференциальное уравнение изгиба полубесконечной балки при суммарном воздействии нагрузки на балку и заданного смещения опор:

dVx)

dx4

где L - расстояние по поверхности от шелыги коммуникационного тоннеля до здания.

Граничные условия в случае полубесконечной балки имеют следующий вид (7). Балка загружена сосредоточенной силой Р на левом конце.

d3y | d2y I I

"EJdilx-0=~P'"EJdi'x=0= ' „dy, n d2y | pid3yi

dx ' dx* ' d? " Согласно проф. Б.Г.Кореневу решение задачи о прогибе бесконечной и полубесконечной балки имеет вид (8а) и (86) соответственно.

EJ —7-7-^+к • у(х) = q(x) + к • f (х + L), (6)

У,М = ^щ-е'ЯхСсо5?.х + 5тХх) (8а)

= (86)

где 1 = 41. к

Выражения (8а) и (86) можно переписать в виде у(х) = Р - К,(х), где К;(х) - соответствующая линия влияния нагрузки Р на величину прогиба балки.

Для произвольной нагрузки р© выражение для прогибов имеет следующий вид

00

УСХ^/РЮ-К.СХ-ВД. (9)

о

В случае прогибов балки, вызванных сооружением коммуникационного тоннеля мелкого заложения, выражение (9) принимает вид (10а) в случае бесконечной балки и (106) в случае полубесконечной балки.

00

у1(х)=/к.ад-К1(х-№ (Юа)

У11(х)=/к^х + Ь).К,(х-^. (106)

о

Таким образом, показано, что задача о прогибе балки сводится к вычислению интегралов (10а) и (106). Приведённое в четвёртой главе вычисление интегралов производилось серией математических операций сведением к интегралу Эйлера-Пуассона. Полученные выражения для прогибов бесконечной и полубесконечной балки соответственно имеют вид (11а) и (116) соответственно.

8Л.3Е1 2

-(эсобС-—X2

20

2Р

V

+ е и -е2 -(соэ

. 2Р

- (а собС-~ Л.2 + Хх - - ЬбшС-^ А.2 + -

2р

л/л

у „(х) = • е~Хх~Х1 • • (сое 11 4Я.3Щ $

2(3 2р'

/ 1 Л

(асоБ^Ь-—X2 +Хх)-Ь5т(ХЬ——X2 + Хх)))

(На)

(116)

2р 2Р

В компактной форме выражение для осадок зданий представлено формулой (12а) для случая, когда здание протяжённой длины расположено над тоннелем и (126), когда здание расположено на некотором расстоянии по поверхности грунта от оси тоннеля.

51(х)=(51-у1(х) + ^ к

5ц (х) = (5ц" Ун (х) +

(12а)

(126)

Параметры формул (12а) и (126) имеют следующий вид

а = С1-5,

, А _ 1

21х2>1 = Щ' ~ 8А,3Е)

А, =-

2>.3Е)

1 л/я

1 2 ^/р 1 1 2р _ 1 л/л , . X.2

■Уг (х) = е-*" ■ ((соз(]Ч] (х)) - (а соз(К, (х)) - Ь8ш(И, (х)))) +

л >

+ е2 - (вт^, (х)))- (а яп^, (х)) + ЬсобСК, (х))))

Y ц (x) ~ e~X(x+L) • (cos(N п (x)) -

- (a cos(Nn (x)) - b sin(N n (x)))) Здесь а и b - параметры, для которых автором составлены таблицы значений в зависимости от L, р, X, которые приведены в диссертации.

Для определения величины EJ для зданий различной этажности автором используется рекомендованная J.N. Franzius & T.I. Addenbrooke (2002) таблица 2. При этом считается, что и-этажное здание состоит из п+1 перекрытий. _____Таблица 2

Здание i EJ, кНм /м

Плита 6,47*10

1 этаж 2,00 *10

3 этажа 6,00 *10

5 этажей 6,98 *10

10 этажей 4,39 *10

Величину коэффициента постели к ориентировочно принимается по таблице 3 согласно рекомендациям С.Б.Ухова и др. (1994).

__Таблица 3

— j ........ к, кН/м Е , МПа п

(0,3...0,9)*Ю < 10 МПа

(1...2,9)*10 10...20

(3...8)*10 21...35

Е49" х

а

□I

X, м

Рассмотрим здание по адресу: Грузинский вал, д. 23-25 стр. 2. Здание расположено в непосредственной близости от линии сооружаемого коммуникационного тоннеля мелкого заложения (рис. 5). Здание одноэтажное. Коммуникационный тоннель диаметром Б = 4,0 м сооружается тоннелепроходческим комплек-

EJ-210,KHuVM' k"0.9W«H/M"

у.м

Рис.5. Схема здания и коммуникационного тоннеля

<•♦♦*■ ~ X, M

......

сом Lovât RME 163 SE. В рассматриваемом сечении глубина заложения коммуникационного тоннеля составляет H = 3,5 м. Нагрузка на фундаменты равна: q = 43 кН/м2. Графики осадок здания, полученные с помощью конечно-элементной программы Plaxis, замеренные и полученные по экспериментально-аналитическому методу, представлены на рис. 6.

Составлены таблицы расчёта осадок зданий вблизи строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения при различных расстояниях по поверхности фунта от шелыги коммуникационного тоннеля мелкого заложения до здания для различных диаметров коммуникационных тоннелей D=3-^4 м, глубин заложения Н=4-^-8м и величин изгибной жёсткости EJ балки, варьируемых по таблице 3.

Пятая глава посвящена мероприятиям по уменьшению влияния устройства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на осадки поверхности грунта, зданий и сооружений. Защитные мероприятия для зданий и коммуникаций в зоне влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения являются аналогичными применяемым мероприятиям при проходке глубоких транспортных тоннелей. Однако, в инженерно-геологических условиях, представленных пылеватыми водонасыщенными песками, химическое закрепление грунта над тоннелем не всегда даёт положительный результат (примером является коллектор вдоль улицы Грузинский вал). Усиление фундаментов сваями тоже не всегда представляется возможным. В этих случаях возможно применение мер по модернизации технологии проходки. На основе анализа работы тоннелепро-

8(х), м

Рзддтныв значения осадок здания (численный метод Р1ах1в) >••• Замеренные значения осадок здания

- ■ • Расчетные значения прогиба балки (эксперимекгалыючмашгичеомй метод)

Рис. 6. Графики осадок здания и прогиба балки по разработанному экспериментально-аналитическому методу

ходческого комплекса и с учётом её специфики в дополнение к перечисленным известным методам представлен ещё один. Метод включает в себя: 1) использование цементно-песчаной смеси, нагнетаемой в заобделочное пространство, обладающей свойствами, позволяющими ей некоторое время не расслаиваться в воде; 2) нагнетание тампонажной смеси в наиболее близко отстоящее от хвоста щитового комплекса кольцо обделки при устройстве крепи коммуникационного тоннеля; 3) увеличение густоты цементного раствора, если это представляется возможным, с целью ограждения от повреждения щеток хвостового уплотнения тоннелепроходческого комплекса; 4) равенство объемов закачиваемой бетонной смеси и освободившегося вследствие продвижения щита пространства; 5) непрерывный при продвижении комплекса процесс закачивания смеси.

Метод был применён в условиях проходки коммуникаци-

онного тоннеля мелкого заложения вдоль улицы Грузинский вал в Москве. При прохождении щита под домом по адресу Грузинский вал, д.23-25, стр.2

.luU44tA.MI2.82t2.tM1.41« 94» №4.124.3* -7-6 -3.04-5^2». 1.52 ЗГТ^]

________

X, м

_11 марта 2008 гада Б, ММ —18 марта 2008 года

Рис. 7. Осадки здания по адресу: г. Москва, Грузинский вал, д. 23-25, стр.2 до (11.03.08) и после (18.03.08) модернизации технологического регламента проходки

наблюдалось снижение его осадок до 7 раз - с 70 до 10 мм (рис.7) вследствие применения мер по модернизации технологического регламента проходки.

Также приведена методика определения ширины зоны защитных мероприятий для зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения на базе графиков осадки, относительной неравномерности осадок, кривизны поверхности, построенных для семи характерных инженерно-геологических разрезов Москвы.

выводы

1. В процессе исследований было установлено, что проходка коммуникационных тоннелей мелкого заложения отличается от глубоких тоннелей по воздействию на перемещения поверхности, и расчётные формулы, основанные на данных по глубоким транспортным тоннелям, должны быть скорректированы при использовании их для тоннелей мелкого заложения небольшого диаметра на основе экспериментальных данных.

2. На основе данных натурных и численных исследований определены осадки поверхности фунта. Был проведён их анализ как в отношении коэффициента перебора фунта Vl, так и в отношении описания формулы для осадок поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения как зависимости от следующих параметров: расстояния по поверхности фунта от оси тоннеля, диаметра тоннеля D и глубины заложения Н.

3. Значения коэффициента перебора фунта по экспериментальным данным варьируются в пределах от 1,8 до 5,8% для коммуникационных тоннелей мелкого заложения, что в целом больше, чем для заглубленных тоннелей и связано со спецификой строительства. Из-за небольшой глубины и даже при малых сечениях распределение природного давления по высоте забоя должно существенно меняться при расстоянии от поверхности -(2-5-3)-D (D - диаметр тоннеля). Поэтому создаваемое равномерное по высоте забоя эффективное противодавление может быть недостаточным внизу забоя для предотвращения вывала фунта и избыточным вверху забоя, что может повлечь за собой нежелательный прорыв газообразной составляющей вместе с грунтом на поверхность.

4. Установлены зависимости коэффициента перебора грунта VL от относительной глубины заложения коммуникационного тоннеля мелкого заложения H/D и уровня подземных вод.

5. На основе экспериментальных данных с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов получены значения корректирующих коэффициентов к формуле осадки поверхности, основанной на данных о глубоких транспортных тоннелях большого диаметра.

6. Составлена совокупность графиков осадок поверхности, горизонтальных перемещений, неравномерности осадок и кривизны для семи типов инженерно-геологических условий, характерных для города Москвы, для которых вычислены ориентировочные значения максимальных осадок поверхности (от 5 от 120 мм) и значения ширины зоны влияния в зависимости от глубины продольной оси тоннеля zo (от 1,2 zo до 2,5 zo).

7. На основе полученных формулы и графиков перемещений поверхности предложена методика определения ширины зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на окружающую застройку, то есть зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг.

8. Полученная формула для перемещений поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения была использована в качестве исходных данных к расчёту деформаций зданий поперечного расположения в плане относительно трассы коммуникационного тоннеля.

9. На базе установленных зависимостей осадки поверхности получены формулы осадки здания протяжённой длины над коммуникационным тоннелем мелкого заложения и здания, расположенного на некотором расстоянии по поверхности от шелыги коммуникационного тоннеля на основе решения задачи о прогибе балки бесконечной и полубесконечной длины.

10. Полученные формулы для осадок поверхности и зданий могут быть применимы в следующих границах относительной глубины заложения коммуникационных тоннелей: H/D = 1+2,5.

11. Поскольку для вычисления деформаций зданий получены аналитические формулы, их же можно использовать и для глубоких транспортных тоннелей, но с коэффициентами формулы Peck R.B. осадок поверхности.

12. В дополнение к известным методам снижения воздействия от строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения были предложены меры по усовершенствованию технологии проходки тоннелей малыми щитами, что привело к существенному (до 7 раз) снижению осадок окружающей застройки при проходке коммуникационного тоннеля мелкого заложения.

13. На базе проведённых исследований составлены Рекомендации «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окру-

жающих зданий и подземных сооружений» (работы выполнялись в AHO АНТЦ РААСН по заказу ОАО «Мосинжпроект»).

14. Приведённые комплексные исследования являются вкладом в решение проблем, связанных с обеспечением сохранности зданий и сооружений, исторической застройки, при освоении подземного пространства в части сооружения коммуникационных тоннелей мелкого заложения в Москве.

Публикации по теме диссертационной работы

]. Uyichev V.A., Konovalov Р.А., Nikiforova N.S., Tupikov M.M. Prediction of surface deformations, caused by shallow service tunnels construction activities in Moscow. //Proc 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (17th ICSMGE).- Egypt, Alexandria, 2009, pp 1993-1996.

2. Ильичев В. А., Никифорова H. С., Тупиков М. М. Применение эмпирического метода Р. Б. Пека и его модификации для прогноза деформаций поверхности над мелкозаглубленными коммуникационными тоннелями в Москве. Вестник гражданских инженеров. № 3 (20) сентябрь. Санкт-Петербург: 2009 г., с.29-33.

3. Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Тупиков М.М. Деформации поверхности при прокладке мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей. Строительство и реконструкция. Известия ОрелГТУ. № 6 (26) (ноябрь-декабрь). Орел: 2009 г., с. 3-8.

4. M.M.Tupikov. Prediction of deformation of surfaces and Buildings due to shallow service tunnels construction. // Proc 20 European Young Geotechnical Engineering Conference. (20th EYGEC) - Czech Republic, Brno, 2010, pp 300-307.

5. Ильичев B.A., Никифорова H.C., Тупиков M.M. Расчёт осадок зданий при прокладке мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей и меры по их снижению. Строительство и реконструкция. Известия ОрелГТУ. № 6 (32) (ноябрь-декабрь). Орел: 2010 г., с. 13-20.

и

' ' i

Тупиков Максим Михайлович

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА И СООРУЖЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МЕЛКОЗАГЛУБЛЕННЫХ КОММУНИКАЦИОННЫХ ТОННЕЛЕЙ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 1о/. % а/ Формат 60x80 1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ Jt Si Тираж 80 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЁТА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ ПРОКЛАДКЕ ТРАНСПОРТНЫХ И КОММУНИКАЦИОННЫХ ТОННЕЛЕЙ И ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ЗДАНИЙ И

КОММУНИКАЦИЙ.

1.1. Способы производства работ при сооружении коммуникационных тоннелей.

1.2. Перемещения поверхности при сооружении тоннелей методом щитовой проходки.

1.2.1. Аналитические методы

1.2.2. Эмпирические методы.

1.2.3. Численные методы.

1.3. Коэффициент перебора грунта Уь.

1.4. Деформации оснований зданий и сооружений при строительстве тоннелей закрытым способом.

1.5. Применение защитных мероприятий для зданий и сооружений при строительстве тоннелей.

1.6. Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЁТА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения

2.1. Коммуникационные тоннели мелкого заложения

2.2. Описание объектов натурных и численных исследований строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения

2.3. Анализ экспериментальных данных при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

2.3.1. Влияние глубины заложения H/D, грунтовых и гидрогеологических условий на коэффициент перебора грунта

2.3.2. Сравнительный анализ эмпирического метода Peck et al и модификации Clough и Schmidt. Выбор основной эмпирической модели для мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей

2.4. Получение корректирующих коэффициентов к параметрам формулы Peck et al для коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

2.5. Формулы метода прогнозирования осадок поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения

2.6. Выводы по Главе

глава 3. оценка перемещений поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей в инженерно-геологических условиях города москвы

3.1. Типы инженерно-геологических условий в городе Москве

3.2. Оценка перемещений поверхности при строительстве коммуникационных тоннелей мелкого заложения

3.2.1. Графики перемещений поверхности при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

3.2.2. Расчёт максимальных осадок поверхности для мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей.

3.2.3. Оценка ширины зоны влияния при строительстве коммуникационного тоннеля мелкого заложения.

3.3. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. РАСЧЁТ СОВМЕСТНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ЗДАНИЙ И ОСНОВАНИЙ ПРИ ПРОКЛАДКЕ КОММУНИКАЦИОННЫХ ТОННЕЛЕЙ

МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ.

4.1. Задача о расчёте балки при заданном смещении основания

4.2. Здание как бесконечная балка на винклеровском упругом основании

4.3. Здание как полубесконечная балка на винклеровском упругом основании

4.4. Расчёт деформаций оснований зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

4.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ВЛИЯНИЯ УСТРОЙСТВА КОММУНИКАЦИОННЫХ ТОННЕЛЕЙ НА ОСАДКИ ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

5.1. Защитные мероприятия для зданий и сооружений при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения

5.2. Меры по модернизации технологии проходки при устройстве коммуникационных тоннелей

5.3. Методика определения ширины зоны защитных мероприятий для зданий.

5.4. Выводы по Главе

Возрастающие темпы освоения подземного пространства в Москве актуализируют задачу сооружения сервисных тоннелей и перекладки коммуникаций, связанную с сооружением коммуникационных тоннелей мелкого заложения щитовым способом. Условие плотной городской застройки обуславливает внимание к влиянию их строительства на существующие здания и сооружения и коммуникации. Исследование влияния на перемещения поверхности грунта и оснований зданий и сооружений при подземном строительстве, в том числе коммуникационных тоннелей, является важной задачей.

Актуальность темы исследований обусловлена проблемой обеспечения сохранности окружающей застройки, в том числе коммуникаций, в стесненных городских условиях при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения, вопросы влияния которого на деформации поверхности грунта и сооружения мало изучены и требуют дополнительных исследований. Выбор темы данной работы продиктован поставленными строителями и проектировщиками города Москвы задачами по решению этой проблемы, в том числе перед AHO АНТЦ РААСН.

Основная идея работы заключается в определении и минимизировании влияния сооружения коммуникационных тоннелей мелкого заложения на существующую застройку. В связи с этим было необходимо провести исследования влияния на величины перемещений поверхности грунта и зданий строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения, разработать методы для их оценки и прогноза и разработать рекомендации по снижению осадок зданий окружающей застройки.

Проведенные автором исследования направлены на реализацию этой идеи.

Цель работы: установить закономерности деформирования грунтового массива при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения, разработать метод прогноза деформаций зданий и сооружений и на этой основе дать рекомендации по обеспечению их сохранности.

Основными задачами работы являются:

• исследование возможности применения существующих эмпирических зависимостей, разработанных для глубоких транспортных тоннелей большого диаметра, к прогнозированию влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на осадки поверхности;

• адаптация существующих эмпирических зависимостей для прогнозирования деформаций поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения методом щитовой проходки;

• установление экспериментально-аналитических зависимостей для прогнозирования осадок существующих зданий при проходке коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• определение зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на существующие здания;

• разработка рекомендаций по снижению осадок существующих строений при прокладке под ними или рядом коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Научная новизна.

1. Впервые установлены закономерности для перемещений поверхности грунтового массива при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

2. Исследовано влияние инженерно-геологических условий и глубины проходки на величину зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

3. Решена задача о балке на упругом основании при заданном смещении линии опор, описывающем вертикальные перемещения дневной поверхности грунта, вызванные строительством коммуникационных тоннелей мелкого заложения щитовым способом.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• разработан метод прогноза перемещений поверхности путём применения корректирующих коэффициентов к существующим эмпирическим методам прогноза для глубоких транспортных тоннелей большого диаметра;

• составлены графики деформации поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения для семи типов инженерно-геологических условий города Москвы;

• установлены значения ширины зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг при строительстве коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• разработан экспериментально-аналитический метод прогноза деформаций зданий в зоне влияния коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• составлены таблицы для инженерных расчетов осадок зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Результаты работы внедрены:

• при проектировании и строительстве московских объектов, в том числе при сооружении коллектора дождевой канализации вдоль улицы Грузинский вал;

• на базе проведённых исследований составлены Рекомендации «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений» (работы выполнялись в AHO АНТЦ РААСН по заказу ОАО «Мосинжпроект»).

Методологической базой исследований является анализ взаимодействия системы «здание-основание-коммуникационный тоннель» путем проведения экспериментальных (натурных и численных) исследований, а также аналитического решения задачи о деформациях основания здания при прокладке коммуникационного тоннеля мелкого заложения, с использованием моделей современной механики грунтов и строительной механики, методов интегральных исчислений.

Для решения сформулированных задач использованы методы линейной теории упругости, строительной механики и интегральных исчислений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений и моделей классической механики грунтов, высокоточных измерительно-регистрирующих приборов, использованием лицензированных компьютерных программ, сопоставлением теоретических исследований с данными натурных экспериментов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

• на 17-м международном конгрессе по геотехнике в Александрии в 2009 г.;

• на научно-практической конференция "Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения" в СПбГАСУ в Санкт-Петербурге в 2010 г.;

• на научно-практической конференции «Неделя науки-2010. Наука МИИТа - транспорту» в 2010 году;

• на 20-й Европейской конференции молодых геотехников в Брно в 2010 г.

На защиту выносятся совокупность научных положений, на базе которых разработана методика прогнозирования деформаций поверхности грунта и зданий при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения и назначения защитных мероприятий для зданий при проходке под ними коммуникационных тоннелей мелкого заложения, включающая в себя:

• метод прогноза деформаций поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• экспериментально-аналитический метод расчёта осадок зданий при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• расчет зоны влияния, то есть зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг при сооружении коммуникационных тоннелей мелкого заложения;

• рекомендации по снижению осадок для зданий при прокладке под ними коммуникационных тоннелей мелкого заложения.

Автор выражает слова глубокой признательности и благодарности научному руководителю акад. РААСН, д.т.н., проф. В.А.Ильичеву, за консультативное участие зам.зав.лаб.№2 НИИОСП им.Н.М.Герсеванова д.т.н. Никифоровой Н.С., заведующему лабораторией № 2 НИИОСП им.Н.М.Герсеванова д.т.н., проф. Коновалову П.А. и всему коллективу лаборатории № 2 НИИОСП им.Н.М.Герсеванова — за предоставление материала по натурным и численным исследованиям, генеральному директору ООО «Подземпроект» Кнюку С.С., генеральному директору AHO АНТЦ РААСН д.т.н. Алмазовой Н.М., главному инженеру Специализированной компании «Креал» Римскому P.A., генеральному директору ООО «1COJIO» Моделю A.JI.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В процессе исследований было установлено, что проходка коммуникационных тоннелей мелкого заложения отличается от глубоких тоннелей по воздействию на перемещения поверхности, и расчётные формулы, основанные на данных по глубоким транспортным тоннелям, должны быть скорректированы при использовании их для тоннелей мелкого заложения небольшого диаметра на основе экспериментальных данных.

2. На основе данных натурных и численных исследований определены осадки поверхности грунта. Был проведён их анализ как в отношении коэффициента перебора грунта У^ так и в отношении описания формулы для осадок поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения как зависимости от следующих параметров: расстояния по поверхности грунта от оси тоннеля, диаметра тоннеля £> и глубины заложения Н.

3. Значения коэффициента перебора грунта по экспериментальным данным варьируются в пределах от 1,8 до 5,8% для коммуникационных тоннелей мелкого заложения, что в целом больше, чем для заглубленных тоннелей и связано со спецификой строительства. Из-за небольшой глубины и даже при малых сечениях распределение природного давления по высоте забоя должно существенно меняться при расстоянии от поверхности ~(2-КЗ)-£> (£) - диаметр тоннеля). Поэтому создаваемое по высоте забоя эффективное противодавление может быть недостаточным внизу забоя для предотвращения вывала грунта и избыточным вверху забоя, что может повлечь за собой нежелательный прорыв газообразной составляющей вместе с грунтом на поверхность.

4. Установлены зависимости коэффициента перебора грунта от относительной глубины заложения коммуникационного тоннеля мелкого заложения НЮ и уровня подземных вод.

5. На основе экспериментальных данных с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов получены значения корректирующих коэффиI циентов к формуле осадки поверхности, основанной на данных о глубоких транспортных тоннелях большого диаметра.

6. Составлена совокупность графиков осадок поверхности, горизонтальных перемещений, неравномерности осадок и кривизны для семи типов инженерно-геологических условий, характерных для города Москвы, для которых вычислены ориентировочные значения максимальных осадок поверхности (от 5 от 120 мм) и значения ширины зоны влияния в зависимости от глубины продольной оси тоннеля z0 (от 1,2 z0 до 2,5 z0).

7. На основе полученных формулы и графиков перемещений поверхности предложена методика определения ширины зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения на окружающую застройку, то есть зоны, где необходимо вести геотехнический мониторинг.

8. Полученная формула для перемещений поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей мелкого заложения была использована в качестве исходных данных к расчёту деформаций зданий поперечного расположения в плане относительно трассы коммуникационного тоннеля.

9. На базе установленных зависимостей осадки поверхности получены формулы осадки здания протяжённой длины над коммуникационным тоннелем мелкого заложения и здания, расположенного на некотором расстоянии по поверхности от шелыги коммуникационного тоннеля на основе решения задачи о прогибе балки бесконечной и полубесконечной длины.

10. Полученные формулы для осадок поверхности и зданий могут быть применимы в следующих границах относительной глубины заложения коммуникационных тоннелей: H7D = 1-^-2,5.

11. Поскольку для вычисления деформаций зданий получены аналитические формулы их же можно использовать и для глубоких транспортных тоннелей, но с коэффициентами формулы Peck R.B. осадок поверхности.

12. В дополнение к известным методам снижения воздействия от строительства коммуникационных тоннелей мелкого заложения были предложены меры по усовершенствованию технологии проходки тоннелей малыми щитами, что привело к существенному (до 7 раз) снижению осадок окружающей застройки при проходке коммуникационного тоннеля мелкого заложения.

13. На базе проведённых исследований составлены Рекомендации «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений» (работы выполнялись в AHO АНТЦ РААСН по заказу ОАО «Мосинжпроект»).

14. Приведённые комплексные исследования являются вкладом в решение проблем, связанных с обеспечением сохранности зданий и сооружений, исторической застройки, при освоении подземного пространства в части сооружения коммуникационных тоннелей мелкого заложения в Москве.

1. Peck, R В Deep excavation and tunnelling in soft ground. State of the art report//Proc 7th Int Conf SMFE.- Mexico City, 1969.- pp 147-150.

2. Burland, J B, Standing, J R and Jardine F M Building responce to tunnelling. Case studies from construction of the Jubilee Line Extension, London, vol.1: projects and methods. London, UK: Imperial College, CIRIA, 2001.- p. 344-347.

3. Chung-Jung LEE, Bing-Ru WU, and Shean-Yau CHIOU. Soil Movements Around a Tunnel in Soft Soils. //Proc.Natl. Sci. Counc. ROC(A), 23(2) Repub. China, 1999, pp.235-247.

4. P. Caporaletti, A. Burghignoli, R.N.Taylor. Centrifuge Study of Tunnel Movements and their Interaction with Structures. // 5th International symposium "Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground". -Netherlands, 2005, pp. 94. .97.

5. F.Castelli, E.Motta. Nunerical analysis for provision of tunneling induced ground deformation in granular soil. // 5th International symposium "Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground". — Netherlands, 2005, pp 145.147.

6. Clough, G. W. & Schmidt, B. Design and performance of excavations and tunnels in soft clay. In Soft Clay engineering, Brand , E.W. & Brenner, R. eds, 1981- pp.569-634.

7. Attewell, P B, Yeates, J and Selby, A R Soil movement induced by tunnelling and their effects on pipelines and structures.- Glasgo: Blackie,1986, pp 96.99.

8. Mair, R J, Tailor, R N, and Bracegirdle, A Subsurface settlement profile above tunnels in clay// Geotechnique. 1993.-№ 43(2).- pp 315-320.

9. Fang, Y.S., Lin, S.J.& Lin, J.S. Time and settlement in EPB shield tunneling. Tunnels and Tunneling, November, 1993, pp.26-27.

10. Fang, Y.S., Lin, S.J.& Lin, J.S., 1994. An estimate of ground settlement due to shield tunneling by the Peck-Fujita method. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 31, No. 3,431-443.

11. Harris D.I., Mair R.J., Love J.P., Tailor R.N. and Henderson T.O. Observation of ground and structure movement for compensation grouting during tunnelling construction at Waterloo station // Geotechnique.-1994.-№ 44(4).- pp. 691-713.

12. Fotieva N.N., Bulychev N.S., Sammal A.S. Design of shallow tunnel linings // Proc. ISRM Int.Symp.EUROCK'96.- Torino, Italy. Rotterdam: A.A.Balkema, 1996, pp. 594-601.

13. Potts, D M and Addenbrooke A structures influence on tunnelling- induced ground movements. // Proc. Instn Civ Engrs, Geotecnical Engineering.- 1997.-vol 125.-pp. 109-125.

14. H.J.Burd, G.T.Houlsby, C.E.Augarde, G.Liu. Modelling tunnelling induced settlements of masonary buildings. //Proc. Instnt. Civ. Engrs. Geotech. Engng.-Jan. 17-19, 2000.- p.143-150.

15. Dias. D & Kastner. R Modelling tunnelling induced settlements ofconcreate building// Proc. of the 3rd Int. Symp. (IS-Toulouse 2002) «Geotechnicalj

16. Aspects of Underground Construction in Soft Ground», 3 Session Ground movements caused by tunnelling: measurements and back analysis.-Toulouse, France, 23-25 October, 2002.- pp. 101-106.

17. Harris D.I. Long term settlement following tunnelling in overconsolidation1.ndon clay // Proc. the 3rd Int. Symp. (IS-Toulouse 2002) «Geotechnicalj

18. Aspects of Underground Construction in Soft Ground», 3 Session Ground movements caused by tunnelling: measurements and back analysis.- Toulouse, France, 23-25 October, 2002.- pp 107-112.

19. Яровой Ю.И. Прогноз деформаций земной поверхности и защита городской застройки при строительстве метрополитена на Урале. — Екатеринбург: УрГАПС, 1999.-258 с.

20. Фотиева Н.Н. Влияние строительства зданий на напряженное состояние и несущую способность близко расположенных тоннелей.// Вестник «Технология и проектирование подземного строительства». Вып.З.-, Донецк: Норд Пресс, 2003.- с.42-52.

21. Речицкий В.В.Прогнозирование деформаций дневной поверхности при проходке туннелей. /Автореф. канд.дисс.- М., 2005.- 24 с.

22. Burghinoly, A, Lacarbonara, W, Soccodato, F М, Vestroni, F, Viggiani, G

23. A study of the response of monumental and historical structures to tunneling. //th

24. Proc. 5 Int. Symp. «Geotechnical aspects of underground construction in soft ground» Session 4.- Amsterdam, the Netherlands, 15-17 June 2005.- pp 25. .30.

25. Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов, 2004. Российская академия архитектуры и строительных наук.- М., 2004.-206 с.

26. МГСН 2-07-97 «Основания, фундаменты и подземные сооружения». М., Правительство Москвы, 1998 г., 92 с.

27. Нормы проектирования и производства работ «Крепление набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов». ВСН 126-90, Минтрансстрой, 1990, 93 с.

28. E. Bilotta, G.Russo, C.Viggiani. Numerical study of a measure for mitigating ground displacements induced by tunneling. // 5th International symposium "Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. -Netherlands, 2005, pp. 7. 11.

29. Davor Simic. Structure interaction effects on tunneling induced settlements. // 5th International symposium "Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. Netherlands, 2005, pp.57-61.

30. Пушилин A.H. , Шейнин, В.И. Оценка усилий в конструкциях здания, возникающих из-за проходки подземной выработки. // Сб.тр. НИИОСП «75 лет НИИОСП им.Н.М.Герсеванова».-М., 2006, с.66 -73.

31. Шейнин В.И., Пушилин А.Н.Разработка инженерной схемы расчета конструкций зданий с учетом смещений земной поверхности, вызываемых проходкой тоннеля //Тр. межд.науч.-практ. конф. ТАР.-Россия, М.-28-31 октября 2002.- с.463-467.

32. Pushilin AN and Pushilina YV// Proc. The 2nd IYGEC.- Mamaya, 7-10 Sept., 2003.- pp 69-70.

33. Franzius, J N & Addenbrooke, T.I. The influence of building weight on the relative stiffness method of predicting tunnelling-induced building deformation //

34. Proc. the 3rd Int. Symp. (IS-Toulouse 2002) «Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground» 1st Session:Design methods of tunnels: Stability, settlements, and tunnel linings.- Toulouse, France, 23-25 October, 2002.- pp 53-57.

35. Potts, D.M. and Addenbrooke,T.I. A structures influence on tunnelling-induced ground movements. // Proc. Instn Civ Engrs, Geotecnical Engineering.-1997.-vol 125.- ppl09-125.

36. Burland J.B., Standing J.R. and Jardine F.M. Building responce to tunnelling. Case studies from construction of the Jubilee Line Extension, London, vol.1: projects and methods. London, UK: Imperial College, CIRIA, 2001. - pp. 344-347.

37. Петрухин В.П., Исаев О.Н. «Проходка коллекторного тоннеля с монолитно-прессованной бетонной обделкой в Москве». Российская Архитектурно-строительная энциклопедия, XII том «Строительство подземных сооружений». Москва, ОАО «ВНИИНТПИ», 2008, с. 257-270.

38. Jacobz, S.W. The effects of tunneling on piled foundations. PhD Thesis, University of Cambridge, UK, 2002.

39. Исаев О.Н. «Развитие методов защиты зданий, сооружений и подземных коммуникаций». Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов», № 3'2008. С. 18-22.

40. СН 322-74. Указания по производству и приемке работ по строительству в городах и на промышленных предприятиях коллекторных тоннелей, сооружаемых способом щитовой проходки. Госстрой СССР. Москва, 1974, 24 с.

41. Ильичев B.A., Коновалов П.А. & Никифорова Н.С., 2004. Прогноз деформаций зданий вблизи котлованов в условиях плотной городской застройки Москвы. Основания, фундаменты и механика грунтов, № 4, с. 1721.

42. Рекомендации «Оценка влияния проходки коллекторов на осадки окружающих зданий и подземных сооружений». М., AHO АНТЦ РААСН, 2007 г., 195 с.

43. Коренев Б.Г. «Вопросы расчёта балок и плит на упругом основании». М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1954, 231 с.

44. Коренева Е.Б., Гросман В.Р. «Расчёт ленточного фундамента вблизи глубокой выемки». // Труды международной конференции «Развитие городов и геотехническое строительство 16-19 июня 2008 г.». Том 3. Санкт-Петербург, 2008, стр. 187-192.

45. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Том 1. М.: Наука, 1962, 607 с.

46. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышов С.Н./Механика грунтов, основания и фундаменты. -М.: АСВ, 1994.- 527 с.

47. Рабинович И.М. Основы строительной механики стержневых систем. М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960. 519 с.

48. Филиппов И.И. Тоннели, сооружаемые щитовым и специальными способами. М.: РГОТУПС, 2004. 211с.

49. Филиппов И.И. Тоннели и метрополитены. Часть 3. М.: РГОТУПС, 2006 - 94с.

50. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высш. шк., 1963, 1983. 638 с.

51. Строкова JI.A. «Численное моделирование оседания поверхности при проходке метрополитена». Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов», № 3'2009, с. 29-31.

52. Plaxis. Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя. Версия 8. A.A. BALKEMA PUBLISHERS, Delft, the Netherlands.

53. Основания, фундаменты и подземные сооружения. МГСН 2.07-01. М., Правительство Москвы, М., 2003 г. 41 с.

54. Пособие к МГСН 2.07.01 «Основания, фундаменты и подземные сооружения». Обследование и мониторинг при строительстве и реконструкции зданий и подземных сооружений, 2004. Правительство Москвы, Москомархитектура. М., 2004. - 55 с.

55. Аунг Мо Хейн. Оценка техногенных воздействий на окружающую среду при проходке тоннелей, сооружаемых щитовым способом. /Автореферат кандидатской диссертации.- М., 2010. 23 с.

56. Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции, 1998. Правительство Москвы, Москомархитектура. М., 1998. - 89 с.

57. И.С. Гродштейн и И.М. Рыжик. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. Издание 4-е, переработанное при участии Ю.В.Геронимуса и М.Ю.Цейтлина. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. 1108 стр.

58. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1970. 720 стр.

59. Р. А. Мангушев, В. Д. Карлов, И. И. Сахаров. «Механика грунтов». М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009 г. 264 стр.

60. Петрухин В.П., Исаев O.A., Наятов Д.В., Гилыптейн С.Р. Строительство коммуникационных тоннелей в Москве и обеспечение сохранности существующих зданий. // Основания, фундаменты и механика грунтов.- 2002.-№ 4.- с. 12 -16.

61. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов.- M.: АСВ, 2005. 480 с.

62. Коренев Б.Г. Некоторые задачи теории упругости и теплопроводности, решаемые в бесселевых функциях. М.: Физматгиз, I960.- 459 с.

63. Никифорова Н.С. Закономерности деформирования оснований зданий вблизи глубоких котлованов и защитные мероприятия. /Автореферат докторской диссертации.- М., 2008.- 34 с.

64. Discussion sessions. Session 2: Bored tunnels: Construction. // Proc. Of theth

65. International symposium "Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground." Netherlands, 2005. Pp.945.950.

66. Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Тупиков М.М. Деформации поверхности при прокладке мелкозаглубленных коммуникационных тоннелей. Строительство и реконструкция. Известия ОрелГТУ. № 6/26 (574) (ноябрь-декабрь). Орел: 2009 г., стр.29-33

67. M.M.Tupikov. Prediction of deformation of surfaces and Buildings due to shallow service tunnels construction. // Proc 20 European Young Geotechnical Engineering Conference. (20th EYGEC) Czech Republic, Brno, 2010, pp 300307.

68. Современный справочник строителя. Под общей редакцией Б.Ф.Белецкого, Издание четвёртое, переработанное, дополненное. Ростов н/Д: Феникс, 2009. 575 с.

69. Зинева JI.A. Справочник инженера-строителя. Общестроительные и отделочные работы: расход материалов. Издание тринадцатое. Ростов н/Д: Феникс, 2009. 537 с.

70. Калинин В.М., Сокова С.Д., Топилин А.Н. Обследование и испытание конструкций зданий и сооружений. М.: ИНФРА-М, 2010. 336 с.

71. Московское метро электронный ресурс. URL: http://metro.molot.ru/ (дата обращения: 01.09.2009).

72. Никифорова Н.С.Мониторинг в геотехнике и требования к нему/ Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. Разд. 5. Гл. 4-М.: ВНИИНТПИ, 2000, с. 135-144.

73. Грачев В.П., Синицкий Г.М., Власов С.Н. Строительство Лефортовского автодорожного тоннеля. // Proc. of the Int. Conf. «Tunnelling in Russia and in cis countries at the beginning of the century: experience and prospects». Moscow, 2002.- pp 111-114.

74. В.А.Флорин. Основы механики грунтов. Том 1. Общие зависимости и напряжённое состояние оснований и сооружений. Ленинград, Москва: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1959. 360 с.

75. Руководство по проектированию и строительству тоннелей щитовым методом. Перевод с английского В.Е.Меркина, В.П.Самойлова. М.: «Метро и тоннли», 2009. 448 с.

76. А.Н.Левченко, Б.А.Картозия, Б.И.Федунец. Инновационное техническое решение для крепления кабельных и канализационных тоннелей. Журнал «Метро и тоннели», №1, март 2010 года, стр. 12-16.

77. Чеботаев В.В., Ауэрбах В.М., Левченко А.Н. Прогнозирование аварийных деформаций поверхности и защита зданий при строительстве метрополитена // Транспортное строительство. -1994. № 4. - С. 30-33.