Тетрадь N1, 2001

Использование современных технологий при реконструкции городских инженерных сетей

Улицкий В.М., С.И.Алексеев, С.В.Ломбас

5. Технология бестраншейной прокладки магистральных сетей

Одним из путей решения геотехнических проблем прокладки коммуникаций в центральной части городов является строительство коллекторов бестраншейным способом с использованием технологии микротоннелирования, широко применяемой в странах Европейского союза, США, Японии. Так, в Берлине еще в 1994 г. 55% всех трубопроводов были проложены методом микротоннелирования. В Петербурге успешно построены первые километры такого тоннеля отечественными фирмами с использованием немецкого комплекса микротоннельного оборудования "Херренкнехт" (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Принципиальная схема микротоннелирования

Как видно из приведенной на рис. 5.1 схемы, бестраншейная прокладка коллектора (микротоннелирование) позволяет осуществлять строительство сетей на застроенной территории, практически не нарушая ритма городской жизни. Принципиальная схема такой проходки достаточно проста. С поверхности грунта строятся шахты: стартовые и приемные, расстояние между ними может достигать 200…300 м, а глубина - порядка 8…10 м. В плане шахты могут быть круглыми или квадратными с размерами сторон около 5 м. Между стартовой и приемной шахтами осуществляется проходка микротоннеля на глубине 6…8 м при наружном диаметре обделки до 1,5 м. Такой способ позволяет устраивать коллектор практически под всеми существующими городскими коммуникациями без их перекладки.

Из стартовой шахты рабочий орган микротоннельного комплекса осуществляет проходку при избыточном давлении воды в забое. Подача воды к режущему рабочему органу и отсос образовавшейся пульпы выполняются насосами, установленными на поверхности грунта рядом со стартовой шахтой. В стартовую шахту подаются также отдельные звенья железобетонных труб обделки, которые вдавливаются в грунт домкратами, что позволяет осуществлять горизонтальную проходку коллектора. Корректируют точность проходки надземной станции управления по лазерному лучу. Все технологические и контрольные функции при проходке компьютеризованы. Для снижения трения между наружной поверхностью труб коллектора и массивом окружающего грунта для первых 3…5 звеньев труб за обделку подается раствор бентонитовой глины. Отработанная пульпа насосами подается в отстойник, вода из которого повторно используется в проходке, а твердый осадок по мере накопления вывозится на свалку.

Вся проходка коллектора осуществляется в автоматическом режиме, под контролем операторов, находящихся в блоке управления. Автоматизированный режим проходки позволяет управлять скоростью вращения ротора, горизонтальной подачей звеньев собираемой трубы, давлением подаваемой воды и раствора бентонитовой глины.

Несмотря на преимущества данного способа прокладки инженерных коммуникаций перед традиционной технологией строительства в открытых траншеях, устройство микротоннеля в условиях тесной городской застройки в пределах толщи слабых грунтов требует решения ряда геотехнических проблем.

К одной из главных проблем относится устройство стартовых и приемных шахт-камер коллектора.

5.1. Устройство рабочих камер

Шахты (камеры) коллектора обычно имеют размеры в плане 4ґ4 м (5ґ5 м) и глубину 8…12 м. В условиях Петербурга такие шахты-камеры строятся с использованием шпунтового ограждения, пересекающего многочисленные слои слабых водонасыщенных грунтов. Следует учесть, что в центральной части Петербурга кровля относительно плотных моренных отложений залегает на глубинах порядка 14…20 м и более. В этих условиях строители стремятся использовать шпунт длиной 14…16 м, чтобы создать условия для производства работ в шахтах-камерах практически без водоотлива. Однако, когда шахты-камеры выполняют вблизи существующих жилых зданий, в том числе памятников архитектуры, вибропогружение длинного шпунта и особенно последующее его извлечение оказывают, негативное воздействие на окружающие здания. В этих условиях при производстве строительных работ необходимы комплексные наблюдения (мониторинг) за сохранностью существующих зданий, которые, как минимум, должны включать:

• динамический контроль колебаний грунтов основания, а также несущих и ограждающих конструкций окружающих зданий в момент погружения и извлечения шпунтового ограждения;
• геодезический контроль деформаций несущих конструкций существующих зданий, примыкающих к площадке строительства;
• контроль изменения положения уровня подземных вод в период строительства.

Для снижения негативного воздействия на окружающую застройку можно устраивать шахты-камеры в коротком шпунтовом ограждении (длиной 8…9 м) и без его последующего извлечения. При этом требуются дополнительные меры по модификации грунта днища для снижения его фильтрационных свойств. Проникновение грунтовых вод должно быть сведено до минимума. Эти задачи вполне разрешимы при использовании современных высоконапорных технологий. Однако эти "высокие" технологии требуют тщательного геотехнического обоснования и сопровождающего мониторинга как за качеством работ, так и за сохранностью окружающей среды.

В качестве примера на рис. 5.2 приведены расчетная схема и результаты определения напряженно-деформированного состояния массива грунта, выполненного методом конечных элементов в упругопластической постановке с предельной поверхностью, описываемой критерием Мора-Кулона. Для расчета использовался программный комплекс "Геомеханика" (Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов (обследование, расчеты, ведение работ, мониторинг). М., 1999.- 327 с.; Фадеев А.Б., Парамонов В.Н., Репина П.И., Глыбин Л.А., Шашкин К.Г. Применение метода конечных элементов при выполнении курсовых работ по строительным дисциплинам: /Учебное пособие/. СПб, СПбГАСУ, 1997. ). Расчеты предельного состояния грунта в основании камеры-шахты (глубина 8 м при шпунтовом ограждении длиной 10 м) выполнялись при следующем напластовании: инженерно-геологический элемент (ИГЭ №1) - суглинок тяжелый пылеватый ленточный мягкопластичный мощностью до 6,3 м с g=19 кН/м3; j=7°; с=8,0 КПа; e=0,93; Е=7,0 МПа; ИГЭ №2 - супесь пылеватая серая мягкопластичная мощностью до 2 м с g=20,5 кН/м3; j=16°; с=11 КПа; e=0,61; Е=10 МПа; ИГЭ №3 - песок крупный коричневый средней плотности с g =20,7 кН/м3; j=40°; с=1 КПа; e=0,55; Е=40 МПа. Уровень грунтовых вод - на глубине 1,5 м от поверхности.

Рис. 5.2. Области предельного состояния грунта в основании днища шахты без закрепления грунта (затенены области предельного состояния по Кулону; заштрихованы - области разрывов); 1,2,3 - номера ИГЭ

Как видно из результатов представленного решения (см. рис. 5.2), грунты днища проектируемой шахты, воспринимая гидростатическое давление воды, будут находиться в предельном состоянии и испытывать деформации разрыва по глубине, соответствующие глубине погружения шпунта. В результате произойдет выпор грунтов днища выработки, и грунтовая вода начнет поступать в котлован. Безусловно, такое решение не может быть приемлемым. Для создания противофильтрационного экрана с помощью струйной технологии рассмотрены несколько расчетных вариантов при различной толщине массива закрепленного грунта.

Анализ результатов решений показал, что с увеличением толщи закрепленного грунта в днище шахты области развития предельного состояния грунта уменьшаются и при толще закрепленного грунта в 3 м - полностью исчезают. Следовательно, закрепление толщи грунта основания шахты в 2,5...3 м следует считать надежным с точки зрения обеспечения противофильтрационных свойств основания. Надежное расчетное обоснование оптимизирует объемы закрепленного грунта основания, обеспечивая безопасность работ на всех этапах.

5.2. Проходка микротоннеля

Геотехнические проблемы возникают и в период ведения работ по бестраншейной проходке железобетонных канализационных коллекторов с помощью микрощита немецкой фирмы "Херренкнехт", в том числе и при наружном диаметре тоннеля 1,5 м. Как показывают результаты математического моделирования, а также зарубежный и отечественный опыт строительства коллектора, при проходке щита на глубине 6…7 м вначале деформируется поверхность перед ним - в виде подъема грунта до 2…6 мм, а затем происходит осадка грунта на величину до 5…6 мм (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема деформации поверхности грунта, по данным математического моделирования, выполненного H.Akagi, K.Komiya (Япония)

Характерны в этом отношении результаты опытных измерений деформации поверхности грунта по оси проходки коллектора, полученные в 1997 г. при проходке щита по Поклонногорской ул. - Песочной наб. (рис. 5.4). Вначале по результатам геодезических измерений был отмечен подъем поверхности грунта до 6 мм, а через неделю - его осадка до 7 мм.

Рис. 5.4. График замеренных перемещений марок вдоль оси проходки микротоннеля

Отмеченный характер деформаций грунтовой поверхности вдоль оси движения микрощита объясняется технологическими условиями работы данного механизма. В забое создается избыточное давление, которое противодействует внешнему природному давлению грунта и грунтовой воды на глубине проходки (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема давлений, действующих в забое при работе микрощита

В результате, как показывают расчеты [5], перед трубой и в направлении дневной поверхности появляются траектории преимущественного движения частиц грунта вверх, что объясняет возникающий подъем грунтовой поверхности (рис. 5.6,а). При дальнейшей разработке грунта и небольшом его переборе частицы грунта возле щита движутся в направлении противоположном первоначальному, и на поверхности грунта появляются области с развитием осадочных явлений (рис. 5.6,б).

Рис.5.6. Расчетные траектории движения частиц грунта на забое микрощита при проходке коллектора бестраншейным способом: а - при опережающем вдавливании по сравнению с разработкой грунта; б - при переборе грунта на забое проходки

Таким образом, проходка микротоннеля в условиях слабых сильносжимаемых и водонасыщенных грунтов Петербурга имеет свою специфику, требует тщательного геотехнического расчетного обоснования на стадии проектирования и должна производиться под контролем специалистов-геотехников.