Применимость метода опускания готовых секций при строительстве транспортных тоннелей в слабых водонасыщенных грунтах



Недостаточно удовлетворительное состояние транспортной сети является одним из определяющих факторов интенсивной застройки территорий, в том числе и в условиях слабых водонасыщенных грунтов [1,37; 2,77; 3,72; 4,92]. При производстве строительных работ зачастую возникают нештатные ситуации, связанные с деформацией и разрушением сооружений, построенных в данных условиях. Указанные обстоятельства свидетельствуют о том, что необходимо тщательное изучение проблемы неустойчивости в слабых водонасыщенных грунтах и разработка методов её решения [5,133; 6,143].

При проектировании и строительстве транспортных сооружений на территориях со слабыми водонасыщенными грунтами необходимо учесть различные факторы, влияющие как на процесс строительства, так и на дальнейшую «судьбу» этих объектов, чтобы обеспечить их эксплуатационную пригодность [7,103; 8,237; 9]. Для этого необходимо провести ряд мероприятий, позволяющих исключить дальнейшие осадки грунтов и, вследствие этого, деформацию и сдвиг объектов строительства. Данные мероприятия необходимо проводить тщательно, непосредственно перед началом проектирования и процесса строительства, так как свойства сложных водонасыщенных грунтов могут меняться в течение длительного промежутка времени, что необходимо учесть [10,73; 11,].

Постановка задачи

К слабым водонасыщенным грунтам относятся такие грунты, которые имеют прочность на сдвиг в условиях природного залегания при испытании прибором вращательного среза менее 0,075 МПа, удельное сопротивление статическому зондированию конусом с углом при вершине а = 30° менее 0,02 МПа или модуль осадки при нагрузке 0,25 МПа более 50 мм/м (модуль деформации ниже 5 МПа) [12,53;16].

Данная группа грунтов обычно включает в себя насыщенные водой сильно сжимаемые грунты, которые утрачивают свою прочность в результате приложения нагрузок на основание, вследствие чего уменьшается их сопротивление сдвигу и возрастает сжимаемость. На всесоюзных и международных совещаниях, которые состоялись в Таллине (1965 г.), Бангкоке (1977 г.) и Варне (1980 г.) было принято решение выделить отдельную группу слабых водонасыщенных глинистых грунтов. [5,43] К ним относят илы, ленточные глины, водонасыщенные лессовые макропористые и заторфованные грунты, а также некоторые другие виды глинистых грунтов. Показатель влажности этих грунтов составляет 80 %. Влажность грунта — это характеристика, которая показывает степень его насыщения влагой, выражается в процентах от 0 % (абсолютно сухой грунт) до 100 %, ли в долях от 0 до 1. Влажность определяется как отношение массы влаги, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта. Формула влажности: W = m_влаги/ m_грунта; где W — это влажность грунта, m_влаги- это масса влаги, m_грунта- это масса сухого грунта. [1.57; 9]

При изучении свойств слабых грунтов, возникает вопрос: «Как влияет влага в грунте на его свойства?» Для того чтобы на него ответить, необходимо рассмотреть влияние воды на различные типы слабых грунтов. Так, например, для песчаных грунтов, избыточная влага не является отрицательным фактором, а, наоборот, уплотняет песок, позволяет придать ему форму и увеличивает его прочность. Что касается других типов грунтов, например, глинистых, то воздействие избыточной влаги на грунт в данном случае несет негативный и деструктурирующий характер.

Так как при строительстве транспортных сооружений влажность грунта напрямую влияет на его несущую способность и является одним из основных критериев качества грунта, то был введен такой термин, как оптимальная влажность грунта. Оптимальная влажность грунта — это такой процентный показатель, при котором достигается максимальное уплотнение грунта. Примерные показатели влажности для основных типов грунта приведены в таблице 1 [3]:

Таблица 1

Грунт	Оптимальная влажность,%
Песок	8–14
Супесь	9–15
Суглинок	12–18
Глина	16–26

Основная часть

Большую часть территории Санкт-Петербурга наполняют слабые грунты (рис.1). Например, типичные ленточные глины встречаются на Карельском перешейке и в карьерах кирпичных заводов по берегам среднего течения р. Невы. Заторфованные грунты — в Кронштадте и в центральной части Санкт-Петербурга [5,173]. Текстура, структура, состав, а, следовательно, и свойства слабых водонасыщенных грунтов формируются в процессе их исторического зарождения и изменяются под влиянием постгенетических процессов: преобразования рыхлых осадков в осадочные горные породы (диагенез), природные вторичные изменения осадочных горных пород (эпигенез) и химического и физического преобразования минеральных веществ в верхних слоях земной коры и на ее поверхности под действием атмосферы, гидросферы и живых организмов (гипергенез).

Рис. 1. Инженерно-геологическая карта Санкт-Петербурга

I — область распространения слабых грунтов; II — область распространения флювиогляциальных отложений, зандров, камов и озов; III — область распространения лужской морены.

Существует несколько различных методов строительства тоннелей в условиях слабых водонасыщенных грунтов. Один из таких методов был применен для строительства Канонерского тоннеля в Санкт-Петербурге. Канонерский тоннель соединяет Гутуевский и Канонерский острова. Генеральным проектировщиком был Ленметрогипротранс. Строительство тоннеля осуществлял Мостоотряд № 11 Мостостроя № 6, который и являлся генподрядчиком. Тоннель был построен в 1983 году, до этого года переправа осуществлялась паромами и катерами. Тоннель вмещает две полосы движения — по одной в каждую сторону. Западная рампа начинается от кольцевой площади у моста на Белый остров, а восточная — от Невельской улицы. Берега и ложе Морского канала образованы слабыми водонасыщенными грунтами. Такие инженерно-геологические условия поставили под угрозу безопасность строительства и сделали невозможным проведение работ с помощью щита под сжатым воздухом. Также при заглублении тоннеля в толщу глин, его длина увеличивалась с 1 км до 3–4 км, таким образом внешние подходы уходили за пределы островов. [13,2]

Тоннель строился с помощью метода опускания готовых секций. Это был совершенно новый и инновационный подход в отечественном тоннелестроении. Протяжённость Канонерского подводного автотранспортного тоннеля около 1 км, береговые рамповые участки — 320 м. Въезд и выезд тоннеля построены открытым способом. Строительство замкнутых монолитных участков проходило на большой глубине и вызвало ряд проблем, требующих нестандартных инженерных решений, в частности замораживания слабых водонасыщенных грунтов жидким азотом и подбивку зазора между днищем секции и основанием траншеи специальными составами песков.

Способ опускных тоннельных секций применялся в средней части Канонерского тоннеля. Ее длина составляет 375 м, и состоит она из 5 наплавных секций. Каждая из которых составляет 75 м в длину, 14 м в ширину и 8 м в высоту. Вес каждой секции 8000т. Каждую секцию от проникновения влаги защищает надежная металлическая изоляция, проходящая по наружному контуру. Две из пяти секций средней части тоннеля распложены на кривой, радиусом 300 м, что является редкой практикой в тоннелестроении. Это вызвано стесненными условиями местоположения тоннеля в плане строительства. [13,2; 14,36;14,110].

Для обеспечения плавучести секций размеры ее поперечного сечения подбирались в сочетании с толщиной железобетонных элементов. Также был выполнен подбор бетонной смеси с определенным объемным весом. Бетонирование конструкций всех пяти секций было произведено в специальном док-шлюзе, оборудованном на восточной стороне Канонерского острова на специальном намывной площадке. Между днищем и основанием док-шлюза был проложен слой гравия 15–20 см, сделано это было для обеспечения возможности всплытия секций. Уровень воды в док-шлюзе после заполнения соответствовал уровню в канале. На рисунке 2 представлена схема опускания тоннельных секций: 1 — торцовая диафрагма; 2 — портальная рама; 3 — шахта; 4 — балластные емкости; 5 — тоннельная секция; 6 — полиспасты; 7 — опорная часть; 8 — лебедки [13,2; 16;17,]

Рис. 2.

Секции наплавным способом доставлялись к месту установки в заранее подготовленное ложе. Стыковка секций производилась с помощью специализированного резинового профиля «Джина». Этот резиновый профиль создает водонепроницаемый стык между элементами, который все секции в монолитную трубу прямоугольного разреза. «Джина», в зависимости от расположения имеет различные степени твёрдости. Поверхности резины у торца более мягкие, в средней же части они значительно тверже.

После того как стыковка и установке секций закончена производится обратная засыпка тоннеля мелким камнем или крупнозернистым песком, толщина слоя которых варьируется от 1.5 до 3 м. Это позволяет закрепить секции, предотвратить всплытие и предохранить конструкцию от механических повреждений.

Таким образом сооружение тоннелей способом наплавных секций и на сегодняшний день является одним из самых перспективных, экономичных методов сооружения тоннелей в условиях слабых водонасыщенных грунтов. Также этот способ отличается сравнительно небольшой трудоемкостью процесса, несмотря на его сложность.

Выводы

Выполненная оценка показала, что общего решения проблем при строительстве объектов в условиях слабых водонасыщенных грунтов нет, так как необходимо учитывать особенности каждой строительной площадки отдельно, включая гидрогеологические условия, конструктивные особенности транспортного сооружения, предъявляемые к нему эксплуатационные требования, вид грунтов и особенности их физико-механических свойств. Такой подход позволит: учесть факторы неопределенности при обосновании проектных решений; определить комплекс мероприятий по улучшению состояния слабых грунтов, влияющих на повышение безопасности дорожного движения; избежать множества мелких сбоев, в совокупности приводящих к преждевременным отказам и разрушениям транспортных конструкций.

Таким образом, можно сделать вполне закономерный вывод о том, что несмотря на возникающие сложности при строительстве таких сложных инженерных сооружений как транспортные тоннели в условиях слабых водонасыщенных грунтов, уровень развития современных технологий и безграничность полёта инженерной мысли позволяют воплощать проекты в реальность, возводя устойчивые и уникальные сооружения.

Литература:

1. Лазарев Ю. Г. Транспортная инфраструктура (Автомобильные дороги). Монография — LAP LAMBERT, Германия: 2015. 173 с.
2. Лазарев Ю. Г., Новик А. Н., и др., Изыскания и проектирование транспортных сооружений /Ю. Г. Лазарев, А. Н. Новик, А. А. Шибко, В. Г. Терентьев, С. А. Сидоров, С. А. Уколов, В. А. Трепалин /Учебное пособие, СПб.: ВАТТ, 2008, 392 с.
3. Лазарев Ю. Г., Синицына Е. Б. Современное состояние проблемы совершенствования транспортной инфраструктуры. Технико — технологические проблемы сервиса. СПб.: 2013. № 4(26). С. 71–74.
4. Лазарев Ю. Г., Синицына Е. Б. Основы совершенствования транспортной инфраструктуры. Технико — технологические проблемы сервиса. СПб.: 2013. № 2(24). С. 92–93.
5. Абелев М. Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М.: Стройиздат, 1983. — 248 с.
6. Лазарев Ю. Г., Обоснование деформационных характеристик укрепленных материалов дорожной одежды на участках построечных дорог. / Ю. Г. Лазарев, П. А. Петухов, Е. Н. Зарецкая// Вестник гражданских инженеров. 2015. № 4 (51). С. 140–146.
7. Лазарев Ю. Г., Громов В. А. Современные требования к обеспечению потребительских и эксплуатационных свойств автомобильных дорог // В сборнике: Инновационные технологии в мостостроении и дорожной инфраструктуре. Материалы межвузовской научно- практической конференции. 2014. С. 102–109.
8. Лазарев Ю. Г., Строительство автомобильных дорог и аэродромов: учебное пособие. / Ю. Г. Лазарев, А. Н. Новик, А. А. Шибко, С. В. Алексеев, Н. В. Ворончихин, А. Т. Змеев, С. А. Уколов, В. А. Трепалин, С. В. Дахин, В. Т. Колесников, Д. Л. Симонов // СПб.: ВАТТ. 2013. 528 с.
9. Влажность грунта // Строй Своими Руками. URL: http://stroy-svoimi-rukami.ru/fundament/grunt/60.
10. Лазарев Ю. Г., Собко Г. И. Реконструкция автомобильных дорог: учебное пособие. СПб. ГАСУ. 2013. 93 с.
11. Cлабые грунты на территории Санкт-Петербурга. Л. Г. Заварзин // Геореконструкция. URL: http://www.georec.spb.ru/journals/02/20/20.htm.
12. Союздорпроект Минтрансстроя, СоюздорНИИ, НПО Дорстройтехника. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. М.: Стройиздат, 1989.192 с.
13. Кулагин Н. канд. техн. наук, Щукик С. Тоннель на Канонерский остров // Метрострой. 1983. № 6. С. 2.
14. Ватин Н. И., Моделирование набора прочности бетона в программе ELCUT при прогреве монолитных конструкций проводом/ Н. И. Ватин, М. О. Дудин, Ю. Г. Барабанщиков// Инженерно-строительный журнал. 2015. № 2 (54). C. 33–96.
15. Лазарев Ю. Г., Громов В. А., Анализ условий создания предприятий и организаций производственной базы дорожного строительства. Вестник гражданских инженеров. 2014. № 1 (30). С. 109–111.
16. Золотарь И. А., Собко Г. И., Лазарев Ю. Г. Прибор для определения коэффициента влагопроводности талых связных грунтов нарушенной структуры нестационарным методом, патент на полезную модель RUS 6627 от 21.04.1997.
17. Способ опускных тоннельных секций // Учебно-образовательный портал «Все лекции». URL: http://vse-lekcii.ru/mosty-i-tonneli/stroitelstvo-tonnelej-i-metropolitenov/sposob-opusknyh-tonnelnyh-sekcij.