автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Сдвижение земной поверхности при строительстве объектов метрополитена Санкт-Петербурга

.У /

Лп / '

1Г / ^

КУ §

и*» V

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова (технический университет)

Долгих Михаил Владимирович

СДВИЖЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОБЪЕКТОВ МЕТРОПОЛИТЕНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Специальность 05.15.01 - Маркшейдерия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Земисев В.Н.

Санкт-Петербург 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ..................... 4

1. Состояние изученности вопроса

1.1.Оседание земной поверхности при проходке первых тоннелей в г.Москве ................. 10

1.2.Особенности деформации поверхности при сооружении

объектов метрополитена в Ленинграде ......... 11

1.3.Сдвижение земной поверхности при проходке тоннелей мелкого заложения в г.Минске .......... 21

1.4 . Современные теоретические разработки по определе-

нию основных параметров процесса сдвижения ...... 24

1.5.Выводы и задачи исследования ......... 25

2. Процесс сдвижения земной поверхности при проходке одиночных тоннелей...................27

2.1.Развитие процесса сдвижения при сооружении тоннелей в протерозойских глинах . .. . . . . ........27

2.2.Сдвижение земной поверхности-при проходке выработок в неустойчивых породах .............. 34

2.2.1. Оседание земной поверхности при сооружении тоннелей в четвертичных отложениях .......... 34

2.2.2. Развитие процесса сдвижения земной поверхности после аварий 1974 г. и 1995 г. на участке "Размыва" линии №1.......................4 0

2.2.3. Деформации поверхности и тоннельной обделки при проходке наклонных ходов с применением технологии ис-

кусственного замораживания .............. 60

2 . 3 . Выводы....................6 9

3. Процесс сдвижения земной поверхности при сооружении

станций колонного типа ................................71

3.1.Геологическое строение массива и технология

строительства станции "Адмиралтейская" ................71

3.2.Наблюдения за сдвижением поверхности и массива. Рост вертикальной нагрузки на элементы конструкции станции "Адмиралтейская".................75

3.3. Результаты наблюдений за оседанием сводов обделки и земной поверхности над станцией "Адмиралтейская" . .84

3.4. Параметры процесса сдвижения земной поверхности при сооружении станций "Адмиралтейская" и "Достоев-

ская".........................99

3.5. Выводы...................104

4 . Деформации земной поверхности при строительстве одно-сводчатых станций .................. 105

4.1.Технология сооружения односводчатых станций. .105

4.2.Динамика роста вертикального давления налегающих пород на станцию "Площадь Мужества". Напряженно-деформационное состояние массива вокруг станции по данным глубинных радиоактивных реперов ........... 108

4.3. Деформация породного ядра и обделки верхнего свода в процессе проходки станции ........... 113

4 . 4 . Параметры процесса сдвижения земной поверхности при проходке станций "Площадь Мужества" и "Чкалов-ская"........................117

4.5. Выводы...................121

5. Методика прогноза вероятных сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве подземных объектов метрополитена в Санкт-Петербурге .......... 123

5.1.Основные факторы, влияющие на оседание земной поверхности при проходке тоннелей ........... 123

5.2.Горизонтальные сдвижения и деформации земной поверхности при строительстве объектов метрополитена . .130

5.3.Методика прогноза максимальных сдвижений и деформаций поверхности при сооружении колонных и односводчатых

станций.......................134

5.4.Проект наблюдательной станции на поверхности и в

тоннелях......................147

Заключение ...................162

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Проблема охраны зданий и сооружений от вредного влияния горнопроходческих работ при строительстве объектов метрополитена в Санкт-Петербурге является актуальной. Перспективное планирование развития городского пассажирского транспорта включает проект расширения сети метрополитена на период до 2050 года, согласно которому должны быть введены в эксплуатацию 4 новых линии, включающие в себя более 50 станций. Новые линии метрополитена пройдут через исторический центр города с высокой плотностью городской застройки и разветвленной сетью инженерных коммуникаций .

В зону влияния строительно-монтажных работ попадают целые жилые кварталы, представленные зданиями постройки XIX в., начала XX в., требующие определенных мер защиты. Меры защиты определяются на стадии перспективного планирования строительно-монтажных работ. Применяемая в настоящее время методика прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности требует внесения определенных корректив на основе накопленного за последние годы опыта строительства метрополитена и внедрения перспективных технологий горнопроходческих работ.

Цель работы.

Совершенствование методики прогноза максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве подземных объектов метрополитена в Санкт-Петербурге для выбора мер защиты подрабатываемых зданий и сооружений .

Идея работы.

Разработка методики прогноза максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности, базирующейся на анализе существующих технологий сооружения различных объектов метрополитена с учетом горно-геологического строения массива, способа проходки и выбора конструкции временной крепи.

Задачи исследований.

В соответствие с поставленной целью в работе предусматривается решение следующих задач:

изучение и обобщение результатов исследований по вопросу сдвижения земной поверхности при строительстве объектов метрополитена за последние 25 лет; анализ существующей методики прогноза деформаций земной поверхности;

анализ данных натурных наблюдений за изменением вертикальной нагрузки от налегающих пород на выработки метрополитена;

анализ причин аварий и сдвижений :земной поверхности последовавших за ними, на участке "Размыва" линии №1;

исследование деформационных характеристик тоннельной обделки;

определение влияния на земную поверхность при различных этапах строительства колонных станций метрополитена ;

разработка методики прогнозирования максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности и методических рекомендаций по проведению наблюдений за ними в период строительства объектов метрополитена.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

анализ и интерпретация натурных наблюдений за сдвижениями и деформациями земной поверхности и тоннелей, проведенные маркшейдерской службой Метростроя за последние 25 лет;

проведение натурных наблюдений по трем наблюдательным станциям, заложенным на поверхности и в выработках при проходке наклонных ходов "Литовский проспект" и "Чкаловская", а также станции "Адмиралтейская" ;

аналитический метод исследования, анализ результатов измерений деформаций тоннельной обделки и изменения вертикальной нагрузки на конструкции подземных объектов метрополитена с применением аппарата математической статистики.

Научные положения, защищаемые автором.

1. Вертикальная нагрузка на обделку тоннеля функционально зависит от времени, прошедшего с момента проходки

- б -

тоннеля, степени подработанности массива и конструкции выработки.

2. Оседание сводов обделки колонных станций прямо пропорционально вертикальной нагрузке, а оседание свода обделки односводчатой станции пропорционально квадрату вертикальной нагрузки в определенный момент времени.

3. Максимальное оседание земной поверхности зависит от оседания временной крепи, величины уменьшения строительного зазора до проведения первичного нагнетания, оседания свода обделки, физико-механических свойств вмещающих пород и других факторов.

4. Для прогноза максимальных сдвижений и деформаций поверхности область влияния выработки целесообразно разделить на следующие зоны:

зона вертикального растяжения пород длиной 15-^20 м, расположенная над выработкой;

зоны вертикального сжатия пород, определяемые по углам влияния 80=4 5°.

Значения максимальных деформаций поверхности прямо пропорциональны величине максимального оседания и обратно пропорциональны длине соответствующих зон для наклонов и квадрату длины для кривизны.

Научная новизна заключается в выявлении закономерностей изменения напряженно-деформационного состояния пород при проходке тоннелей, количественной и качественной оценке факторов, определяющих характер и величину деформирования земной поверхности при ее подработке.

Практическая значимость работы.

1. Предлагаемая методика прогноза позволяет обоснованно и достоверно определить величины максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности при оценке последствий подработки земной поверхности и выборе мер защиты подрабатываемых объектов.

2. Обоснованы практические рекомендации, приводящие к снижению эффективной мощности, не уменьшая скорость проходки и позволяющие, в свою очередь, уменьшить величины сдвижений и деформаций земной поверхности.

3. Разработана методика наблюдений за сдвижениями и деформациями земной поверхности и горных выработок при строительстве различных объектов метрополитена.

Достоверность научных положений.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается сравнением и достаточной сходимостью величин прогнозируемых сдвижений и деформаций земной поверхности и вертикальных нагрузок на конструкцию станции с данными натурных наблюдений по ряду наблюдательных станций на поверхности и в выработках.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований планируется использовать проектными и научно-исследовательскими организациями для разработки нормативных документов по прогнозу сдвижений и деформаций земной поверхности, а также для выбора мер охраны подрабатываемых объектов при строительстве метрополитена в Санкт-Петербурге.

Апробация работы.

Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на трех научных конференциях студентов и молодых ученых СПбГГИ им.Г.В.Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоения" (24-25.04.96); (23-24.04.97); (1516.04.98), а также на заседаниях кафедры маркшейдерского дела СПбГГИ им. Г. В. Плеханова в 1996^-1999 г. г. и получили одобрение.

Исходные материалы и личный вклад соискателя.

Основой диссертационной работы являются планы подземных выработок, совмещенные с поверхностью, геологические разрезы массива в районе производства строительно-монтажных работ, результаты вычислений, выполненных в Ленметрогипротрансе по разработанным .программам, данные по наблюдениям за сдвижением земной поверхности и измерениям деформаций обделки тоннелей, выполненные сотрудниками ВНИМИ и маркшейдерской службы Метростроя и Метрополитена, исследования статической работы различных конструкций метрополитена, выполненные работниками Ленинградской лаборатории ЦНИИС.

Автор принимал личное участие в наблюдениях за деформацией тоннельной обделки наклонного хода "Литовский проспект" и станции "Адмиралтейская", а также в серии наблюдений за оседанием земной поверхности над вышеперечисленными выработками. Все исследования, начиная с анализа состояния изученности проблемы и заканчивая разработкой рекомендаций по проведению натурных наблюдений выполнялись

непосредственно автором на кафедре маркшейдерского отдела V в СПбГТИ, во ВНИМИ и маркшейдерских отделах АО "Метрост-роя" и АОЗТ "СМУ-17 Метрострой".

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в шести публикациях.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 168 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 49 наименований.

В первой главе диссертационной работы дается анализ опыта подработки земной поверхности при строительстве первых линий метрополитена в Москве и Ленинграде, приводятся варианты прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности в Ленинграде и Минске. В ней указаны недостатки применяемой методики прогноза сдвижений и деформаций поверхности при строительстве метрополитена в Санкт-Петербурге.

Вторая глава посвящена подработке земной поверхности одиночными тоннелями, пройденными в различных горногеологических условиях с применением разных технологий строительства, в том числе с использованием метода искусственного замораживания. В главе дан анализ причин аварий 1974 г. и 1995 г. на участке "Размыва" линии №1. Исследована динамика изменения вертикального давления от налегающих пород на одиночный тоннель, пройденный в протерозойских глинах.

Третья глава содержит анализ опыта строительства станций колонного типа с применением передовых технологий на примере проходки "Адмиралтейской". На основе аналитического анализа данных натурных наблюдений с привлечением аппарата математической статистики выявлены основные закономерности и получены уравнения функций регрессии для следующего вида корреляционных связей:

между величиной вертикальной нагрузки и временем, прошедшим с момента проходки выработки; между оседанием сводов обделки и вертикальным давлением на нее;

между оседанием сводов обделок и величиной максимального оседания земной поверхности.

В главе приведена статистическая обработка данных наблюдений и получены величины основных параметров процесса сдвижения при проходке станций "Адмиралтейская" и "Достоевская" .

В четвертой главе приводится анализ опыта сооружения односводчатых станций на примере "Площади Мужества". Проведена обработка данных натурных наблюдений за изменением напряженно-деформационного состояния массива вокруг станции, полученных по измерениям сдвижений глубинных радиоактивных реперов, а также определена динамика роста горного давления. Выявлена корреляционная связь между оседанием обделки верхнего свода и ростом вертикальной нагрузки на него. В главе проведен сравнительный анализ процессов сдвижения при строительстве станций "Площадь Мужества" и "Чкаловская".

Пятая глава посвящена непосредственно разработке методики прогноза максимальных сдвижений и деформаций поверхности. В ней определяются факторы, влияющие на оседание земной поверхности, приводится методика расчета эффективной мощности выработанного пространства и определения величины максимального оседания на различных этапах строительства объектов метрополитена. В главе дан краткий анализ результатов измерений горизонтальных сдвижений и деформаций, разработана методика прогноза максимальных деформаций земной поверхности в различных зонах мульды сдвижения и дана оценка точности прогнозируемых деформаций, а также разработаны рекомендации по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и горных выработок для различных объектов метрополитена.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

1.1. ОСЕДАНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОХОДКЕ ПЕРВЫХ

ТОННЕЛЕЙ В Г.МОСКВЕ

При строительстве подземных объектов метрополитена происходит нарушение естественного напряженного состояния горных пород, что приводит к деформациям контура выработки, покрывающих пород массива и земной поверхности. В условиях плотной застройки крупных городов в зону влияния горнопроходческих работ попадают целые микрорайоны с многоэтажными зданиями и инженерными коммуникациями, в которых от воздействия деформации земной поверхности возникают дополнительные усилия. Под воздействием этих усилий здания и сооружения подвергаются деформациям и повреждениям, которые в ряде случаев приводят к прекращению их эксплуатации.

При решении практических задач по определению влияния горнопроходческих работ на земную поверхность весьма важно предвидеть характер развития деформаций поверхности и их величины. В связи с этим особое значение в настоящее время придается совершенствованию методики расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности.

Изучение вопроса влияния тоннельных выработок на оседание земной поверхности возникло в нашей стране в связи со строительством метрополитена в Москве в 1933 г. Первые горнопроходческие работы вызвали значительные деформации крепи выработок и, как результат этого - оседание поверхности и повреждение зданий, расположенных вдоль трассы тоннелей.

Первые исследования были выполнены проф. П.М. Цимба-ревичем, который наметил основные направления в изучении поставленной проблемы.

Очень интересны исследования проф.В.Л.Маковского по выявлению причин влияния горных работ на вблизи расположенные здания.

Большую ценность представляют работы проф. Б.А. Ржа-ницына, затрагивающего вопросы деформаций земной поверхности при сооружении тоннелей мелкого заложения и методы охраны зданий при помощи химического закрепления грунтов .

Особый интерес представляют исследования, выполненные П.И.Антоновы�