745

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В.А. ГЛАВАТСКИХ

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Часть 5

Специальные способы работ при строительстве тоннелей и метрополитенов

Новосибирск 2007

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В.А. ГЛАВАТСКИХ

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Часть 5

Специальные способы работ при строительстве тоннелей и метрополитенов

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Новосибирск 2007

УДК 656.342 Г52

Г л а в а т с к и х В.А. Технология строительства метрополитенов. Ч. 5. Специальные способы работ при строительстве тоннелей и метрополитенов: Учеб. пособие. — Новосибирск: Издво СГУПСа, 2007. — 268 с.

ISBN 5-93461-264-6

Приведены общие сведения о физических свойствах грунтов, их классификация, основные технологические схемы специальных способов работ при строительстве тоннелей и метрополитенов в сложных инженерно-геологи-ческих и гидрогеологических условиях.

Пособие предназначено для студентов факультета «Мосты и тоннели» специализации «Транспортные тоннели и метрополитены» и «Городские транспортные сооружения». Может быть полезно для инженерно-технических работников, занятых проектированием и строительством заглубленных и подземных сооружений метрополитенов.

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук, доц. Г.Н. Полянкин

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Тоннели и метрополитены» ПГУПСа (ЛИИЖТа) (и.о. завкафедрой д-р техн. наук, проф. Ю.С. Фролов)

генеральный директор ЗАО «Новосибметропроект» А.П. Мельник

ISBN 5-93461-264-6

©Главатских В.А., 2007

©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2007

Учебное издание

Главатских Валентин Андреевич

Технология строительства метрополитенов

Часть 5 Специальные способы работ

при строительстве тоннелей и метрополитенов

Редактор М.А. Турбина

Компьютерная верстка Н.Н. Садовщикова

Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98 Подписано в печать 27.03.2007

17,0 печ. л., 15,0 уч.-изд. л. Тираж 200 экз. Заказ № 1736

Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения

630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191 Тел./факс: (383) 228-73-81. E-mail: press@stu.ru

Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Вусловиях интенсивного развития наукоемких производств, передовой техники и технологий специальных способов работ и сооружения тоннелей, получаемые студентами-тоннельщиками в учебных аудиториях знания требуют постоянного обновления и совершенствования. Их труд в качестве будущих руководителей производства может быть эффективен только при условии непрерывного повышения уровня профессиональных знаний и общей эрудиции.

Впроцессе изучения дисциплин тоннельного цикла «Тоннели и метрополитены», «Технология строительства метрополитенов», «Щиты и щитовые комплексы» и т.д. немаловажное значение отводится вопросам строительства подземных и заглубленных сооружений в сложных природноклиматических и градостроительных условиях. Такие условия встречаются в подавляющем большинстве случаев строительства тоннелей и метрополитенов и выпускники студентытоннельщики СГУПСа — будущие руководители производства должны:

зн а т ь организацию и производство работ по строительству подземных сооружений

вводонасыщенных грунтах:

—с помощью их предварительного закрепления различными инъекционными способами;

—с применением способов, снижающих подвижность этих грунтов;

—посредством применения способов, не требующих каких-либо изменений физикохимических и механических свойств грунтов;

у м е т ь оценить инженерно-геологические и гидрогеологические условия заложения тоннелей для определения необходимости и возможности применения того или иного специального способа работ; осуществлять организацию, техническое руководство и контроль за всеми видами специальных методов;

и м е т ь п р е д с т а в л е н и е о физической сущности явлений, протекающих в грунтах при применении тех или иных специальных способов работ и сооружений; о разновидностях и принципах работ машин, механизмов и оборудования, применяемых при специальных способах работ в практике отечественного и мирового метро- и тоннелестроения.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ГРУНТОВ

1.1. Классификация грунтов

Грунтами называются любые горные породы, залегающие преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека. Грунты используются в качестве основания, среды или материала для возведения подземных и заглубленных сооружений.

Все грунты классифицируют в зависимости от происхождения и условий образования, характера структурных связей между частицами, состава и строительных свойств грунтов.

Грунты подразделяют на два основных класса: скальные и нескальные.

Скальные грунты — это грунты с жесткими структурными связями, к которым относятся магматические (граниты, диориты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, сланцы и др.), осадочные сцементированные (песчаники, конгломераты и др.) и искусственные.

Скальные грунты подразделяются на разновидности в зависимости от предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, по степени размягчения в воде, растворимости и др.

Минеральные частицы твердых скальных грунтов связаны между собой цементирующим веществом, находящимся в виде пленок на контакте частиц (граниты, кварциты, габбро и др.), в этом случае прочность связей обычно выше прочности частиц, либо заполняющим пространство между минеральными частицами.

Скальные грунты с жесткими связями в невыветрелом состоянии имеют высокую прочность. Будучи нерастворимыми, они обычно удовлетворяют предъявляемым к ним строителями требованиям. Однако при выветривании и при наличии в них пор, пустот и трещин прочность грунтов снижается и зачастую возникает необходимость в их искусственном упрочнении различными способами закрепления.

Трещины в скальных грунтах могут быть вертикальными, наклонными и горизонтальными. Длина их изменяется от нескольких сантиметров до сотен метров и более, а ширина — от десятых долей миллиметра до нескольких метров. В зависимости от ширины трещины условно подразделяют на следующие виды:

Трещины могут быть открытыми, т.е. не заполненными каким-либо материалом, и закрытыми — заполненными вторичным материалом, механическими или химическими осадками. Расстояние между трещинами колеблется от нескольких миллиметров до десятков метров. Особым видом нарушения монолитности скальных грунтов являются карстовые трещины и пустоты, образовавшиеся в результате выщелачивания или растворения водой некоторых горных пород (известняка, доломита, мела, гипса, каменных и калийных солей). Ширина и длина карстовых образований могут достигать десятков метров. Карстовые пустоты обычно заполнены водой, песчано-глинистым и обломочным материалом. Эта вода может попадать через трещины в разрабатываемые котлованы и затоплять их. Своды пустот с течением времени обрушаются, образуя на поверхности земли провалы, которые могут быть причиной разрушения возводимых в этих районах подземных сооружений. Все это требует уплотнения и упрочнения закарстованных пород.

Нескальные грунты — это грунты без жестких структурных связей. К нескальным грунтам относят рыхлые горные породы, включающие несвязные (сыпучие) и связные породы, прочность которых во много раз меньше прочности связей минералов, слагающих эти породы. Характерной особенностью этих грунтов является их раздробленность, дисперсность, что коренным образом отличает их от скальных весьма прочных пород.

В состав грунтов входят твердые минеральные частицы, вода в различных видах и состояниях и газообразные включения. В состав некоторых грунтов входят органические соединения.

Твердые минеральные частицы грунта представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам зерен. Размеры зерен колеблются от десятков сантиметров для валунов до мельчайших коллоидных частиц.

Нескальные грунты по размерам минеральных частиц подразделяют на следующие виды:

—крупнообломочные (валунные, галечниковые, гравийные и щебенистые) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50 % по массе;

—песчаные (гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые);

—пылевато-глинистые (супеси, суглинки и глины).

Крупнообломочные и песчаные грунты подразделяют по степени влажности Sr на разновидности: маловлажные 0 < Sr < 0,5; влажные 0,5 < Sr < 0,8; насыщенные водой 0,8 < Sr < l.

По плотности сложения песчаные грунты подразделяют на виды в зависимости от значения коэффициента пористости е (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Виды песков по плотности сложения

Пылевато-глинистые грунты характеризуются преобладанием в их составе пылеватых и глинистых частиц, что обусловливает их связность. Такие грунты в зависимости от числа пластичности Ip, %, разделяются на следующие типы: супеси 1 ≤ Ip ≤ 7; суглинки 7 < Ip ≤ 17 и глины Ip > 17.

Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделять грунты, проявляющие специфические неблагоприятные свойства при замачивании — просадочные и набухающие.

К просадочным относятся грунты, которые под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании водой дают осадку, называемую просадкой.

Просадочные грунты характеризуются относительной просадочностью εse, начальным просадочным давлением Pse и начальной просадочной влажностью ωse. Просадочными свойствами обладают лессовые и другие макропористые грунты.

К набухающим относятся грунты, которые при замачивании водой или химическими растворами увеличиваются в объеме, при этом относительное набухание без нагрузки составляет εsω ≥ 0,04.

Кособым видам грунтов следует отнести также биогенные грунты, плывуны, растительные и мерзлые грунты.

Грунты, содержащие значительное количество органических веществ, называются биогенными [53]. К ним относятся заторфованные грунты, торфы и сапронелы (пресноводные илы).

Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, образовавшийся в результате протекания микробиологических процессов, имеющий влажность, превышающую влажность на границе текучести, и коэффициент пористости более 0,9.

Плывуны — это грунты, которые при вскрытии приходят в движение подобно вязкотекучему телу, встречаются среди водонасыщенных мелкозернистых пылеватых песков. Различают плывуны истинные и псевдоплывуны. Истинные плывуны характеризуются присутствием пылеватоглинистых и коллоидных частиц, большой пористостью (> 40 %), низкими водоотдачей и коэффициентом фильтрации, особенностью

ктиксотропным превращениям, оплыванием при влажности 6–9 % и переходом в текучее состояние при 15–17 %.

Псевдоплывуны — пески, не содержащие тонких глинистых частиц, полностью водонасыщенные, легко отдающие воду, водопроницаемые, переходящие в плывунное состояние при определенном гидравлическом градиенте.

Почвы, или растительные грунты, — это природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием.

Кнескальным искусственным грунтам относятся грунты, уплотненные различными методами (трамбованием, укаткой, виброуплотнением, взрывами, осушением и др.), насыпные и намывные.

1.2. Строительные свойства грунтов по отношению к воде

1.2.1. Свойства грунтов по отношению к воде

Строительные свойства грунтов определяются их физико-ме-ханическими свойствами. Свойства грунтов неразрывно связаны с их характеристиками, которые определяются действующими нормами и стандартами.

Свойства пылевато-глинистых грунтов находятся в большой зависимости от влажности. Если в талом грунте содержится только прочносвязанная вода, то грунт находится в твердом состоянии. При наличии рыхлосвязанной воды грунт становится пластичным. При свободной воде в порах грунт переходит в текучее состояние.

Таким образом, при насыщении водой пылевато-глинистый грунт вначале размягчается, потом переходит в пластичное и, наконец, текучее состояние.

Пластичность — это способность грунта деформироваться под действием внешних усилий без разрыва сплошности и сохранять форму после прекращения действия этих усилий. Пылевато-глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в определенном диапазоне влажности, границы которого называются пределами пластичности: ωp — нижний предел пластичности (предел раскатывания) соответствует влажности, ниже которой грунт переходит в твердое состояние; ωL — верхний предел пластичности (предел текучести) отвечает влажности, выше которой грунт переходит в текучее состояние.

По консистенции грунты разделяют на разновидности: супеси: твердые IL < 0; пластичные 0 < IL < 1; текучие IL > 1; суглинки и глины: твердые IL < 0; полутвердые 0 < IL < 0,25; тугопластичные 0,25 < IL < 0,5; мягкопластичные 0,5 < IL < 0,75; текучепластичные 0,75 < IL < 1; текучие IL > 1.

Вода в грунтах может находиться в парообразном, жидком и твердом состоянии. В виде пара она содержится в воздухе, который заполняет поры, пустоты и трещины в грунтах. При соответствующих температурных условиях и давлении в порах грунта парообразная влага может конденсироваться, переходя в другие фазы воды.

Воду в жидком состоянии, находящуюся в грунтах, разделяют на связанную и свободную. Связанная вода содержится в грунтах в виде прочно связанной (адсорбированной) и пленочной.

По своим свойствам прочно связанная вода отличается от обычной жидкой воды. Ее плотность в среднем равна 1,5 г/см3, она очень вязка, упруга, не проводит электрического тока, замерзает при температуре –78 °С, не обладает свойством растворять соли.

Способность грунтов поглощать из воздуха гигроскопическую воду называется гигроскопической влагоемкостью, максимальное значение которой определяется количеством влаги, поглощенной из воздуха с относительной влажностью 94 %. В тех случаях, когда влажность грунтов становится выше ее максимальной гигроскопичности, начинается образование пленочной воды, основным признаком которой является способность ее молекул передвигаться от одной к другой независимо от влияния веса. Перемещение пленочной влаги происходит по грунтам от мест, где толщина пленок большая, к местам, где пленки тоньше, до тех пор пока диполи не будут испытывать одинаковое притяжение около всех частиц, слагающих данную породу. Пленочная вода удерживается в грунте силами, превосходящими ускорение свободного падения в 70 000 раз; содержащиеся в ней соли передвигаются независимо от передвижения самой воды, в пленочной воде отсутствует гидростатическое давление. Наличие в глинистых грунтах пленочной воды обусловливает ряд важных свойств — пластичность, липкость, набухание, усадку и другие, которые оказывают серьезное влияние на работу машин и механизмов.

Свободная вода, находящаяся в грунтах, в свою очередь, подразделяется на капиллярную и гравитационную. Капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты в грунтах, представляя собой переходную форму между связанной и свободной водой. Капиллярная вода поднимается вверх от уровня грунтовых вод по капиллярным пустотам под действием сил поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха. Передвижение ее в зоне капиллярного поднятия происходит независимо и против

действия веса. Она свободно не вытекает в горные выработки. Величина капиллярного поднятия, которая может достигать десятков метров, используется для оценки и определения необходимой глубины понижения уровня грунтовых вод при отрывке котлованов, возможных явлений пучения дорог и др.

Гравитационная вода свободно просачивается по порам и трещинам в грунте сверху вниз или передвигается по ним в водоносном пласте под действием веса в направлении падения напора. Содержание гравитационной воды зависит от характера пустот водоносного горизонта. В глинистых грунтах, где поры очень мелкие и обычно заполнены связанной водой, гравитационная вода отсутствует. Преобладает она в основном в крупнообломочных и трещиноватых грунтах и является обычной водой.

Гравитационная и капиллярная воды передают гидроста-тическое давление и вызывают целый ряд нежелательных явлений как в процессе строительства, так и эксплуатации тоннелей и метрополитенов. При температуре грунтов ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде кристаллов льда. Кристаллы в большинстве случаев играют роль цемента (скрепляющего отдельные минеральные частицы), превращая рыхлые грунты в твердые.

По условиям образования подземные воды подразделяются на инфильтрационные (просачивание дождевых и снеговых вод), седиментационные, которые образуются одновременно с накоплением осадков на дне морских и других бассейнов, заполняя их поры, а также конденсационные.

По условиям залегания подземные воды делятся на грунтовые, образующие самую верхнюю гидрогеологическую зону в поверхностных слоях земли; пластовые, приуроченные к водонепроницаемому пласту, перекрываемому и подстилаемому водоупорными породами; трещинные, приуроченные к трещинам в скальных грунтах; карстовые, находящиеся в пустотах и пещерах закарстованных пород.

По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на безнапорные, или воды со свободной поверхностью, и напорные, когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой, и находящаяся в нем подземная вода испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор.

В зависимости от возраста водовмещающих грунтов подземным водам присваиваются соответствующие наименования: воды каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и т.д. По степени минерализации они подразделяются на пресные, содержащие до 1 г/л растворенных веществ, солоноватые (1–10 г/л), соленые (10–50 г/л), рассолы (свыше 50 г/л).

К водным свойствам горных пород относятся водопроницаемость, влагоемкость, водоотдача, естественная влажность, набухание, размокание, усадка, липкость, пластичность, капиллярные свойства, водопоглощение, растворимость.

Водопроницаемость — это способность грунтов пропускать через себя воду. При некотором перепаде давления величина ее зависит от размера пустот, диаметра пор или степени трещиноватости грунтов тем больше, чем больше трещиновата или грубозерниста порода. Водопроницаемостью обладают песок, гравий, галечник и трещиноватые породы. Водопроницаемость грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации (м/сут), который равен скорости фильтрации при напорном градиенте, равном единице.

Скорость фильтрации воды определяется по формуле

где i — гидравлический градиент, равный отношению потери напора к длине пути фильтрации; iн — начальный гидравлический градиент, для несвязных грунтов равен нулю; kф — коэффициент фильтрации, среднее значение которого для различных грунтов приведено в табл. 1.2.

Границей между водопроницаемыми и практически водоупорными грунтами принимают коэффициент фильтрации, равный 0,01 м/сут. К водоупорным грунтам

относят глины, тяжелые суглинки, монолитные нетрещиноватые скальные грунты. По влагоемкости грунты разделяют на влагоемкие (торф, ил, глина, суглинок), слабовлагоемкие (мел, мергель, глинистый песок, лесс) и невлагоемкие (песок, гравий, галечник).

Свойство грунтов, насыщенных водой, свободно отдавать гравитационную воду называется водоотдачей. Она зависит от гранулометрического состава в рыхлых грунтах и от степени трещиноватости — в скальных. Отношение объема стекшей воды (при полном заполнении пор водой) к объему всего грунта называется коэффициентом водоотдачи и выражается дробью или в процентах. Под удельной водоотдачей понимают количество воды, отдаваемое единицей объема грунта (выражается обычно в литрах на 1 м3). При этом для крупнозернистых песков и гравия коэффициент водоотдачи практически совпадает с величиной их пористости или полной влагоемкостью.

1.2.2. Строительные свойства грунтов

Основными параметрами механических свойств грунтов являются прочность и деформационные характеристики грунтов: угол внутреннего трения ϕ, удельное сцепление с, модуль деформации Е и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rс.

Угол внутреннего трения — это угол, тангенс которого равен коэффициенту внутреннего трения грунта.

Угол внутреннего трения ϕ для различных видов нескальных грунтов колеблется в следующих пределах: песчаных 25–43°; пылевато-глинистых 7–30°.

Коэффициент внутреннего трения — отношение приращения разрушающего касательного напряжения к соответствующему приращению нормального напряжения на поверхности сдвига.

Под сцеплением понимается сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц грунта. Сцепление присуще пылевато-глинистым грунтам.

Сопротивление сдвигу нескальных грунтов определяется силами трения и сцепления, величины которых зависят от вида грунта и его влажности.

Ориентировочные значения удельного сцепления грунтов составляют: песчаных 0– 0,08, пылевато-глинистых грунтов 0,05–1 кПа.

Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям. Оценка прочности скальных грунтов производится по пределу прочности на одноосное сжатие Rс, а нескальных грунтов по их механическим прочностным характеристикам с и ϕ.

Влажность грунта оказывает значительное влияние на способ разработки грунта и на способность грунтов к уплотнению. В практике принято грунты влажностью до 5 % считать сухими (или маловлажными), свыше 30 % — мокрыми, а от 5 до 30 % —