Зарубежный опыт сооружения транспортных тоннелей на подрабатываемых территориях

Лысиков Б. А. , Розенвассер Г. Р., Шаталов В. Ф.
Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сборник трудов кафедры СШ и ПС. Вып. 15. - Донецк, 2009.

В настоящее время нормативных мер защиты при строительстве подземных сооружений на подрабатываемых территориях ни в Украине, ни за рубежом ? не существует. Однако, применительно к конкретным условиям имеются попытки решения как проектных, так и технологических вопросов данной проблемы.
Так, в Германии в Рурском и Саарском угольных бассейнах имеются районы, где возникали аналогичные задачи, связанные с влиянием горных работ на устойчивость транспортных тоннелей. В этих районах при разработке угольных пластов и под влиянием других горных работ деформации породного массива приближаются к поверхности и воздействуют на обделки тоннелей.
Мульды оседания простираются повсюду в районах, где добывается каменный уголь. Естественно, они являются причиной оседаний, растяжения и сжатия на поверхности земли. Для тоннельных конструкций они проявляются в разновременных продольных деформациях, оседаниях, наклонах и кривизне. Эти воздействия могут происходить повторно, если несколько пластов под тоннелем будут подрабатывается один после другого. Их протяженность в большей степени зависит от глубины добычи, мощности пласта и пластичности покрывающих слоев породы. Зоны разрушения могут образовываться в особых случаях.
Напряжения, возникающие в конструкции тоннеля под влиянием горных работ, зависят, в решающей степени, от жесткости конструкций и твердости окружающих горных пород.
Обеспечивая конструкции запасом «податливости» и эластичной упругости большим, чем величина пластических деформаций горного массива, вызванных подработкой, можно компенсировать перемещения породного массива, тем самым, ограничивая напряжения.
Тоннельная обделка должна быть не только податливой, но и иметь возможность сопротивляться оседаниям, растяжению и сжатию, возникающим вследствие ведения очистных работ. Кроме того, она должна быть такой, чтобы деформации, вызванные ее противодействием, не вызывали какие-нибудь дополнительные деформации на поверхности земли, которые могли бы привести к повреждениям строительных объектов над ними в густо застроенных промышленных районах. В этом отношении конструкции, изготовленные из стали, особенно подходят, благодаря их большой эластичной гибкости и пластичности.
Из зарубежного опыта известно строительство в 1978- 1982 гг. транспортных тоннелей в подрабатываемом горном массиве, имеющим вне зон тектонических нарушений продольные деформации ?=±10 мм/м, наклон ip= ±30 мм/м, радиус кривизны Rp=±10 км; в зонах тектонических нарушений - вертикальные уступы hy = 15 см, ширину трещин аб= 10-20 см с шагом l=0,5-5,0 мм.
Обделки тоннелей выполнены податливыми из стальных элементов. На участке Шальке-Север Гельзенкирхенской пригородной железной дороги (Германия), где проходка велась бесщитовым способом, применен волнообразный профиль из сваренных между собой 5-ти горячештампованных стальных сегментов и расположенного в замке свода активно компенсирующего элемента в виде дисковой пружинной системы (Рис 1).
Обделка из стального сильфона с компенсирующим элементом в своде Рис 1. Обделка из стального сильфона с компенсирующим элементом в своде.
w - заводской шов; м - монтажный шов; в - сварка на месте
На участке Шальке-Юг Гельзенкирхенской пригородной железной дороги обделка щитовой проходки выполнена из сварных стальных сегментов, шарнирно соединенных между собой в поперечнике и на связях растяжения в продольном направлении.(Рис 2.) Здесь группы пружин, компенсирующие горизонтальные деформации сжатия, размещены на стеновых участках снаружи обделки.
Обделка из стальных литых сегментов с размещением снаружи компенсирующих элементов Рис 2. Обделка из стальных литых сегментов с размещением снаружи компенсирующих элементов.
1 - бетон; 2 - стальные сегменты; 3 - податливый элемент; 4 - вспененный полимер; 5 - накладка;
6 - пружинные элементы; 7 - литая рама; 8 - болтовое соединение без зазора;
9 - болтовое соединение с зазором.
В продольном направлении герметичные деформационные швы между жесткими отсеками выполнены с применением компенсатора в виде петлеобразного эластичного профиля типа OMEGA на основе текстильных листов (вставок), пропитанных полиэстером. Компенсатор закрепляется на краях смежных отсеков, фиксируется металлическими фланцами и закрепляется болтами. Скрепляющий эффект обеспечивается сжатием гребнеобразного профиля в нижней части элемента и напряжением сжатия в верхней части скрепленной зоны. Широко применяемые компенсаторы OMEGA имеют диаметр 90 мм с компенсационной способностью К= ±80 мм.
Устройство деформационного шва с применением ленты OMEGA Устройство деформационного шва с применением ленты "OMEGA"
со сводными концами, закреленными фланцами.
Как видно, в зарубежной практике большое внимание уделяется компенсации горизонтальных деформаций подрабатываемого грунтового массива как в поперечном, так и в продольном направлениях сооружения.
Исследованиями, проведенными автором на грунтовых массивах конечной жесткости, смоделированных по методу эквивалентных материалов, устанавливались особенности развития относительных горизонтальных деформаций сжатия (-?) в окрестностях гибкой обделки, соответствующей реальной для Донецкого метрополитена.
Данные опытов сравнивались с результатами исследования аналогичных моделей грунтовых массивов без выработки и с обделкой бесконечной жесткости. Основные результаты заключаются в следующем,
Зона доверительных результатов lд, свободная от влияния граничных условий моделей, установлена по участку с неизменной (исходной) величиной е ? = -2,75 мм/м в грунтовом массиве без выработки. Длина этой зоны особенно четко прослеживается по горизонтальной оси модели и составляет lд = 5,5R от центра выработки. С учетом этих данных удалось установить влияние жесткости обделки на изменение исходных значений -?.
В случае обделки бесконечной жесткости величины -? начиная lа.з.= 2,7R по мере приближения к выработке резко возрастают и в зоне контакта массива с выработкой составляют ? = -24 мм/м. В случае обделки конечной жесткости величины -? начиная са.з= 5R по мере приближения к выработке уменьшаются до нуля (х = 1,6R) и затем переходят в деформации растяжения, достигая в ближайшей к обделке точке массива (х = 1,2R) экстремального значения ? = +12 мм/м, что соответствует значению перемещения грунта по направлению горизонтального диаметра Аг = 1,08 мм. С приближением к контактной поверхности происходит увеличение деформаций до ? = -0,8 мм/м (на 70% меньше исходной). При этом прогиб обделки по этому же направлению составил fг= 0,63 мм. Так называемая «зона отлипания» не зафиксирована. Наоборот, в связи с тем, что Аг > Ц непосредственно в контакте произошло уплотнение материала массива, сопровождаемое увеличением относительных горизонтальных деформаций.