Тетрадь N1, 2001

Использование современных технологий при реконструкции городских инженерных сетей

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

7. Геотехническое сопровождение специальных работ в грунте и превентивное усиление существующих зданий

В настоящее время с каждым годом увеличивается число проектов сложной тоннельной проходки при строительстве инженерных сетей в пределах исторических центров европейских городов. Все чаще такие проекты предусматривают проведение работ в сложных геологических условиях, в зоне влияния строений, представляющих историческую ценность. Согласно европейской классификации (Eurocode 7 Geotechnics) подобное строительство относится к III (наиболее сложной) геотехнической категории и требует геотехнического сопровождения на всех стадиях строительства, включая период пусконаладочных работ. Главной целью геотехнического сопровождения является обеспечение выполнения проекта в установленные сроки при минимизации влияния проходки на окружающую застройку за счет применения щадящих технологий и постоянного инструментального мониторинга по ходу ведения работ (Вопросы предпроектных изысканий и инженерных обследований, а также геотехнического моделирования при проектировании рассматриваются в специальной литературе, в том числе в Интернет-журнале "Реконструкция городов и геотехническое строительство") .

Комплексный инструментальный геотехнический мониторинг должен включать:

• контроль за осадками и кренами зданий, входящих в зону влияния подземных проходок;
• контроль за поведением массива грунта вдоль трассы тоннеля, в зоне возможного влияния его проходки на здания при помощи поверхностных геодезических марок, глубинных марок (экстенсиометров) и инклинометров;
• контроль за уровнем грунтовых вод и поровым давлением с помощью режимных скважин и пьезометров;
• контроль за параметрами колебаний грунта и конструкций, входящих в зону влияния работ;
• контроль за состоянием конструкций зданий, входящих в зону влияния работ, с помощью маяков и щелемеров, установленных на осадочных швах, существующих трещинах.

Состав геотехнического мониторинга может варьироваться, исходя из особенностей проходимой трассы и состояния (значимости) конкретных строительных объектов, попадающих в зону влияния. К сожалению, комплексный инструментальный мониторинг при глубоких проходках, включая тоннели, встречается достаточно редко. В последнее время, практически полный геотехнический мониторинг в строительстве, осуществляется при возведении подземного торгового комплекса на Манежной площади в Москве и ведении работ по устройству заглубленных объемов в новом вокзальном комплексе высокоскоростной магистрали в Петербурге.

Комплексный инструментальный мониторинг требует финансовых вложений, но они полностью окупаются за счет оптимизации технических операций при производстве работ и сохранения исторического архитектурного ансамбля в центре города. Экономия на таком мониторинге при специальном подземном строительстве в сложных грунтовых условиях или ограниченность лишь геодезическими наблюдениями за осадками поверхности грунта по оси коллектора могут привести к значительным финансовым потерям.

Отметим, что за рубежом одним из распространенных приемов является превентивная защита зданий, расположенных вблизи подземных тоннелей. Так, на рис. 7.1 показана характерная схема защиты зданий, которая успешно применялась в целом ряде случаев при строительстве подземных дорог, переходов и линий метро в условиях городской застройки (Милан, Вашингтон, Париж, Неаполь).

Усиление зданий с использованием буроинъекционных свай может быть осуществлено без остановки движения транспорта и пешеходов. При этом возможно производство работ из подвалов без расселения здания либо из специальных небольших тоннелей под пешеходным тротуаром. Малогабаритное оборудование для этих целей имеется в арсенале зарубежных и отечественных фирм.

Рис. 7.1. Типичная схема установки крестообразно расположенных корневидных свай для защиты зданий на время проходки тоннеля метро: 1 - существующее здание; 2 - пешеходный тротуар; 3 - рабочее пространство; 4 - крестообразно-корневидные сваи; 5 - тоннели метро (коллектор)

Фактически полученная стена из корневидных крестообразных свай отделяет зону А, находящуюся поверх будущих тоннелей, от зоны Б, которая начина-ется непосредственно под зданием. В соответствии с разработанным проектом, уменьшение давления в зоне А почти не окажет влияния на зону Б.

В случае прокладки тоннелей на небольшой глубине возникает необходимость переноса нагрузок от здания на грунты, находящиеся за пределами зоны развития осадок. Здесь успешно используются буроинъекционные корневидные сваи в виде защитных вееров (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Укрепление основания существующего здания корневидными сваями: 1 - конструкция из корневидных свай; 2 - железобетонная конструкция типа ростверка, объединяющая сваи и обеспечивающая совместную работу с надземными конструкциями существующего здания; 3 - существующее здание; 4 - дополнительные сваи, служащие для укрепления грунта под тоннелем

Применение буроинъекционных (корневидных) свай укрепляет существующий фундамент, исключает развитие нежелательных осадок в результате прокладки тоннеля. Выполненная железобетонная конструкция связывает каркас здания с корневидными сваями, создавая жесткую комплексную структуру.

Если глубина тоннеля исключает возможность переноса нагрузки за пределы участка его строительства, то может быть использован положительный опыт строительства тоннеля в Неаполе при большой толще слабых грунтов (рис. 7.3). Интересно отметить, что грунтовые условия в этом итальянском городе очень близки к условиям Петербурга. Значительная толща слабых пылевато-глинистых структурно-неустойчивых грунтов, высокий уровень подземных вод, архитектурная значимость застройки - эти факторы определяют родство геотехнических задач, возникающих при реконструкции городов.

В Неаполе для расчетов при проектировании в столь сложных случаях привлекают специалистов строительного факультета технического университета. Италия располагает также целым рядом специализированных фирм по подземным проходкам и усилению памятников архитектуры.

Для решения самых сложных реконструкционных случаев в Италии собирается экспертная группа Международного рабочего комитета по спасению исторических городов мира (ТС-19 - Preservation of Historic Sites ISSMGE), руководство которого находится в Неаполе (Prof.C.Viggiani) в университете Федерико II. Один из авторов настоящей монографии является членом этого комитета с 1994 г. и знаком с многими интернациональными проектами и особенностями их реализации.

Рис. 7.3. Защита существующего здания от неравномерных дополнительных осадок во время прокладки тоннеля на средней глубине: 1 - границы тоннеля; 2 - система корневидных свай; 3 - тоннели

Следует отметить, что усиление здания было начато, когда дополнительные осадки привели к развитию аварийных деформаций жилого дома в начальный период прокладки транспортного тоннеля. Работы по укреплению здания включали и усиление надземных конструкций, и комплекс усилений оснований и фундаментов. Фактически образовалась единая комплексная жесткая структура, которая позволила выдержать нагрузки от неравномерных осадок в результате прокладки тоннеля. В дальнейшем не было отмечено признаков разрушения, хотя общие осадки здания и территории продолжались и составили несколько сантиметров, что выше предельных значений для ветхого исторического здания.

В Петербурге применение комплексного инструментального мониторинга особенно актуально. Наш город фактически является самым крупным европейским центром, еще не затронутым массовой реконструкцией инженерных коммуникаций. Значительная часть стоков до сих пор сбрасывается в открытые водоемы и реки. Поэтому весьма важно накопление опыта превентивного усиления зданий в зоне возможного риска вдоль трассы реконструируемых или вновь устраиваемых коллекторов. Так, проектная трасса микротоннеля для одного из канализационных коллекторов по Вяземскому пер. в Петербурге проходит в непосредственной близости от жилых домов № 4 и 6. Такое расположение трассы проходки тоннеля существенно изменяет напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов существующих зданий.

Опыт проходки микротоннеля в 1996 - 1997 гг. по Песочной наб. (р. М. Невка) показал, что зона влияния при работе микрощита М288-М-FVN 1200с фирмы "Херренкнехт" проявляется на поверхности грунта в виде мульды оседания с размером до 5r по горизонтали от оси проходки (r - наружный радиус вдавливаемой трубы, равный, 0,75 м). Данный опыт позволяет в первом приближении определить зону влияния микротоннеля (зону риска), которая составит около 4,00 м (рис. 7.4). Из представленной схемы видно, что в зоне влияния микротоннеля будет изменяться напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов под углами д. № 4 и 6. Для предотвращения опасных технологических осадок рассматриваемых зданий в период проходки около них тоннеля было рекомендовано превентивное (до строительства канализационного коллектора) усиление оснований и фундаментов путем устройства наклонных буроинъекционных свай (рис. 7.5).

Рис. 7.4. Оценка зоны возможного риска от проходки микротоннелем около существующих ветхих зданий

Рис. 7.5. Схема превентивного усиления фундаментов существующих зданий от дополнительных осадоквает вследствие проходки микротоннеля

Длину, диаметр и шаг расположения наклонных свай определяли расчетом в процессе выполнения проектных работ. Такое конструктивное решение с превентивным усилением оснований и фундаментов существующих жилых домов позволяет избежать недопустимой осадки фундаментов, попадающих в зону влияния тоннеля, и обеспечивает безопасность эксплуатации зданий.

Для более детального анализа геотехнической ситуации, возникающей в условиях проходки микротоннеля вблизи существующих фундаментов зданий, рассмотрена задача изменения напряженно-деформированного состояния основания, решаемая с использованием метода конечных элементов в упруго-пластической постановке с предельной поверхностью, описываемой критерием Кулона-Мора.

Опыт проходки микротоннеля на Песочной наб. в аналогичных грунтовых условиях показал, что поверхность грунта по оси тоннеля претерпевает деформации. Вначале перед микрощитом поверхность грунта приподнимается до 3...5 мм, затем после проходки грунт опускается, при этом осадка поверхности достигает 5...7 мм. Такие деформации поверхности грунта под микротоннелем могут быть вызваны несколькими факторами: перебором грунта при проходке, расструктуриванием определенного объема грунта при вдавливании трубы, недостатками устройства бентонитовой обмазки вокруг наружной поверхности коллектора и т. д. Следует отметить, что подобные деформации в аналогичных слабых толщах грунта отмечены при проходке тоннелей в г. Мехико (M. Romo) (см. 5.2). На основе опытных результатов деформирования ненагруженной поверхности грунта проводилось численное моделирование процесса проходки микротоннеля в зоне напряженного состояния основания под фундаментами д. № 4 и 6 по Вяземскому пер. с использованием программы "Геомеханика". Было определено, что осадка поверхности грунта по оси проходки коллектора, равная 6...7 мм, будет соответствовать дополнительному объему выбранного грунта в забое в пределах до 10% от общего объема выработки, (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Эпюра давлений (кПа) под фундаментом в зоне выработки при объеме дополнительного выбранного грунта 10% от общего объема выработки.

Рис. 7.7. Расчет осадок д. №4 от веса здания

Рис. 7.8. Расчет осадок д. № 6 от веса здания (Темным цветом обозначены зоны пластического состояния грунта)

Результаты проведенных расчетов (рис. 7.7, 7.8) показали, что осадки обследуемых зданий в процессе многолетней эксплуатации уже составили до 7 см для д. № 4 и до 14 см для д. № 6. Эти деформации и объясняют, в основном, появления трещин. Фактически осадки зданий превысили предельные значения, рекомендованные отечественными нормативами.

Расчеты показали, что проходка микротоннеля щитовым способом в зоне напряженного состояния основания под ленточными фундаментами зданий № 4 и 6 приведет к дополнительным осадкам данных конструкций, равным соответственно 4,1...6,6 см и 4,3...5,3 см (рис. 7.9, 7.10). Согласно действующим региональным нормам (ТСН 50-360-96) такие дополнительные осадки для существующих фундаментов и зданий недопустимы. Следовательно, для сохранения существующих зданий и предотвращения развития неравномерных осадок от проходки микротоннеля угловые зоны данных сооружений должны быть предварительно усилены. Зона превентивного усиления в 7 м, определенная в результате анализа многочисленных расчетных данных как расстояние от оси проходимого коллектора до места расположения фундамента с осадкой в 1 см, представлена в виде графических зависимостей на рис. 7.11.

Рис. 7.9. Расчет осадок фундамента д. №6 от проходки тоннеля (Темным цветом обозначены зоны пластического состояния грунта)

Рис. 7.10. Вариант усиления фундамента буроинъекционными сваями (Темным цветом обозначены зоны пластического состояния грунта)

Рассмотрены два варианта для усиления частей фундаментов, в которых возможна осадка от проходки микротоннеля: - усиление с помощью буроинъекционных свай (рис. 7.12); - совместное использование буроинъекционных свай и защитных цементно-песчаных стенок вдоль коллектора, выполненных по струйной технологии.

Рис. 7.11. Графическое представление результатов программного расчёта с определением зоны превентивного усиления в зависимости от дополнительной осадки

Рис. 7.12. Усиления фундамента буроинъекционными сваями (темным цветом обозначены зоны пластического состояния грунта)

Анализ расчетных значений по второму варианту показывает, что недостаточно эффективно применение ограждающей цементно-песчаной стенки, выполненной по струйной технологии. Такая стенка, являясь гибкой конструкцией, будет деформироваться вместе с окружающим грунтом и лишь уменьшит осадки существующих фундаментов. Возникает необходимость усиления надземных конструкций, что проблематично без расселения домов.

Следовательно, в данном случае целесообразно выполнять усиление существующих фундаментов с применением буроинъекционных свай. Это позволит существенно (до допустимых значений) снизить возможные абсолют-ные значения и неравномерность осадок фундаментов, попадающих в зону риска от работ по микротоннелированию. Следует учесть, что свайный вариант усиления является эффективной превентивной мерой защиты зданий, если избыточное извлечение грунта при проходке тоннеля составляет не более 10% от общего объема выработки.

Таким образом, численное моделирование возможных геотехнических ситуаций, связанных с проходкой микротоннеля в сложных геотехнических условиях в зоне влияния фундаментов существующих зданий, позволяет выбрать наиболее рациональный вариант усиления конструкций с использованием современных щадящих технологий. Такие решения дают возможность экономить не только значительные средства, но и обладают необходимым запасом надежности, что особенно важно для зданий, эксплуатируемых в условиях интенсивной городской застройки.

Анализируя материалы международных конференций, специальную литературу и оперативную журнальную информацию, можно отметить, что при проходке тоннелей с использованием самых "безопасных" проходческих щитов имели место деформации поверхности грунта и разрушения городских строений. Так, при проходке линий метро ERtR щитом "Мартина" под районом Х округа Парижа произошли деформации зданий. Например, ремонт д. №14 по ул. Кай из-за его существенной осадки обошелся в 7,0 млн франков (1,3 млн $ US) (франц. журнал "Эвэнемент" от 15.03.95). Общество нацио-нальных железных дорог (SNCF), ответственное за работы тоннельного щита фактически не имело необходимых прогнозов и расчетов и было вынуждено возместить убытки за счет страхования. Несомненно, что при использовании комплекса современных превентивных мер, можно было избежать аварийных осадок.

В качестве второго примера приведена практика строительства линии "Д" Лиссабонского метро, где проходка осуществлялась одним из наиболее совершенных и безопасных комплексов оборудования "Ловат" модели МЕ386SE, серии 15500. Линия "Д" должна была связать существующую линию "С" с новым выставочным комплексом "ЭКСПО-98". Не вдаваясь в технологические детали, отметим, что глубина залегания тоннеля от поверхности земли до свода тоннеля составляла 15...40 м при давлениях от 0 до 3,5 бар. По настоянию заказчика тоннельно-проходческий комплекс ТПК работал в режиме грунтопригруза. Грунт, в котором проходил ТПК, представлял собой песок и супесь. Несмотря на относительно благоприятные условия имели место технологические сбои (заклинивание режущей головки и пр.), что привело к обрушению грунта с образованием воронки на поверхности земли (информация из статьи Р.П. Ловета на Международной конференции "Подземный город: геотехнология и архитектура". СПб, 1998).

Эти примеры приведены лишь с одной целью - обратить внимание заказчиков-застройщиков и городских властей исторических городов на возможные технологические сбои даже при применении самых современных технологий. В силу этого представляется необходимым еще до начала работ моделировать возможные неблагоприятные ситуации. Если в зону риска попадают уникальные здания или сооружения, для обеспечения нормального функционирования и экологической безопасности территории до начала работ следует решать вопросы превентивного усиления таких объектов.