СТРОИТЕЛЬСТВО КАНАЛИЗАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ В КРУПНЫХ МЕГАПОЛИСАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ОБДЕЛКИ

В настоящее время, подземное пространство крупных мегаполисов, все чаще используется для решения неотложных проблем развития городов. До недавнего времени, одной из таких проблем в Санкт-Петербурге являлся отвод, транспортировка и очистка сточных вод. Данный вопрос потребовал комплексного подхода и разработки сложных инженерно-технологических решений.

Отсутствие коллекторов канализации в крупных мегаполисах наносит не только видимый экологический ущерб, но и в целом тормозит темпы развития инженерной инфраструктуры мегаполисов, и не позволяет производить массовую жилую застройку.

Так, основной сложностью для осуществления различных подземных проектов в Санкт-Петербурге представляют собой петербургские грунты. Почва, по большей части, насыщена водой и изменяет свои свойства при динамическом воздействии. Петербургские грунты относятся к третьей наивысшей категории сложности, это сложная и постоянно меняющаяся подвижная структура. [1, 2]

Поэтому разработка технологических решений по организации строительства коллекторов с применением тоннелепроходческих комплексов, позволяющих осуществить строительство в сложных инженерно-геологических условиях является очень актуальной на сегодняшний день задачей.

В целях решения данной задачи был выполнен проект включающий:

- анализ инженерно-геологических условий строительства;

- расчет первичной (блочной) и вторичной (железобетонной рубашки) обделки тоннеля;

- разработку технологических решений по организации строительства.

Используемые в проекте методы исследования:

В проекте использован комплекс методов, включающий: статистический анализ, обобщение мирового опыта проектных работ и практики строительства канализационных тоннелей, отечественная и зарубежная литература, а также для моделирования был использован конечноэлементный геомеханический программный комплекс «Plaxis V8».

 Основные планируемые результаты проекта:

Исходным объектом проекта является:

Канализационный тоннель Ø4300/3700мм, общей длиной 1172,331м, который является продолжением (верховым участком) главного коллектора канализации северной части Санкт-Петербурга.

При утверждении проекта экспертизой Госстроя РСФСР в 1989 году из трех вариантов:

- напорно-самотечный 2-х ниточный дюкер;

- самотечный канализационный тоннель с Кантемировской КНС;

- самотечный канализационный тоннель, возводимый гидрощитом фирмы «Вайсс унд Фрайтаг» в четвертичных отложениях.

Был выбран первый вариант – напорно-самотечный 2-х ниточный дюкер.

На этом участке главного коллектора трасса тоннеля проходит вдоль основного рукава размыва кровли верхнепротерозоиских глин, пересекающего город. В отдельных местах глубина размыва достигает 66-69 м.

Выше кровли «кембрия» расположены неустойчивые водонасыщенные грунты четвертичного периода.

Из-за этих пересечений, а также из-за пересечения с тоннелями метрополитена в условиях общего понижения кровли верхнепротерозойских глин на значительной части верхового участка коллектора (тоннеля) не представлялось возможным построить самотечный коллектор с помощью традиционной технологии. В этой (верховой) его части зона строительства попадала в грунтовые условия, где требовались особые методы проходки и которые не исключали деформации, существующих на поверхности земли зданий и сооружений и не обеспечивали надежность сооружения при эксплуатации.

В результате рассмотрения различных вариантов прокладки коллектора было принято решение выполнить его в виде «дюкера» (напорный режим), который имеет две нитки, сооружаемые щитом с наружным диаметром 4,03 м ниже кровли верхнепротерозойских глин. Эти нитки размещены на расстоянии 20 м между осями по длине коллектора, с увеличением этого расстояния до 50-60 м в низовом участке для размещения узла регулирования стоков в самой глубокой его части.

В данной конструкции «дюкера» имеется 12 попутных подключений, то есть происходит нарастание расхода сточных вод по длине коллектора, а также колебания расходов, характерных для общесплавной канализации во времени (день, ночь, сухая погода, дождь).

1. Анализ инженерно-геологических условий строительства.

Трасса главного коллектора находится в северной части г. Санкт-Петербург на правом берегу р.Нева, в пределах Приневской низины, представляющей террасированную равнину со слабым уклоном к р.Нева. Исследуемый участок трассы от Арсенальной ул. до площади Ленина расположен по трассе с абсолютными отметками от 3,5м до 5,3м.

В геологическом строении территории принимают участие техногенные отложения, осадки литоринового моря, балтийского ледникового озера, ледникового отложения лужской стадии, межледниковые (микулинский горизонт) протерозойские отложения.

Техногенные отложения tqIV – развиты повсеместно, залегают с поверхности, мощностью 2,2-13,5 м. Абсолютные отметки подошвы техногенных отложений от 0,6 м до -10,68 м.

Насыпные грунты весьма неоднородны по составу, неравномерно уплотнены, обладают различной сжимаемостью и в соответствии с «Пособием» к СНиП 2.02.01-83* относятся к слабопучинистым грунтам.

Отложения литоринового моря mIV2lt – представлены пылеватыми песками и супесями мощностью до 8,5 м, подошва их залегает на абсолютных отметках от 6,19 м до -13,4 м.

Пески пылеватые при нарушении их природного сложения под действием динамических нагрузок снижают прочностные свойства и в результате тиксотропного разжижения приобретают плывунные свойства. Супеси пылеватые относятся к малоуплотнённым грунтам с пониженной сопротивляемостью сдвигу, легко размокают в застойной воде, имеют повышенные влажность и пористость.

Озёрно-ледниковые отложения Балтийского ледникового озера (lgIIIvd3Б) – представлены суглинками пылеватыми ленточными и слоистыми мягкопластичными, реже – супесями пылеватыми, песками пылеватыми, плотными. Подошва отложений  залегает на абсолютных отметках от -16,7 м  до -28,15 м.

Суглинки и супеси пылеватые ленточные и слоистые при нарушении природного сложения значительно и неравномерно сжимаются под воздействием динамических нагрузок приобретают текучую консистенцию, снижают свою несущую способность.

Ледниковые отложения лужской стадии верхне-валдайского горизонта (gIIIvd3lz) – представлены супесями и суглинками пылеватыми с гравием и галькой, редкими валунами, с гнёздами песков полутвёрдой, тугопластичной и мягкопластичной консистенцией мощностью от 7,4 м до 20,8 м. Подошва отложений на абсолютных отметках от -37,8 м  до -46,8 м.

Морские отложения – микулинский горизонт (mIIImk) – представлены в верхней части суглинками пылеватыми слоистыми мягкопластичными и тугопластичными, в нижней части с включениями гравия и обломков песчаника и прослоями песков крупных, гравелистых и гравийно-галечниковых грунтов (элемент 10А). Подошва на абсолютных отметках от -44,4 м до -65,68 м мощностью от 1,2 м до 26,5 м.

Протерозойские отложения (PR3kt) – относятся к малосжимаемым, вполне устойчивым группам.

В верхней части протерозойские отложения представлены твёрдыми и полутвёрдыми дислоцированными глинами с мощностью до 10 м с подошвой на глубине от -47,63 м  до -67,68 м.

В нижней части протерозойские отложения представлены твёрдыми глинами с кровлей на глубине от -48,3 до -67,68.

По данным выполненных изысканий выделено 12 инженерно-геологических элементов с учётом возраста, происхождения, текстурно-структурных особенностей, номенклатурного вида слагающих их грунтов.

Правильность выделения инженерно-геологических элементов проверена на основе анализа пространственной изменчивости показателей физико-механических свойств грунтов, в соответствии с требованиями ГОСТ 25100-82.

2. Расчет первичной (блочной) и вторичной (железобетонной рубашки) обделки тоннеля.

Коллектор диаметром 4,3 м проходит в зоне размыва на глубине 70 метров. Обделка двухслойная. Первичная обделка сборная железобетонная, состоит из сегментов толщиной 300мм. Вторичная обделка монолитная железобетонная толщиной 250мм (рисунок 1).

Рисунок 1. Коллектор и внутренняя рубашка

Для моделирования применен конечноэлементный геомеханический программный комплекс “Plaxis V8”, позволяющий решать задачи упруго-пластического взаимодействия подземных конструкций и массива в плоской постановке.

Модель представляет собой плоское сечение размером 110´110 м, проходящее через наиболее глубокую точку участка размыва. Геологические слои приняты горизонтально залегающими при постоянной мощности, земная поверхность также принята горизонтальной. В силу симметрии граничных и начальных условий, моделируется половина участка массива с полукольцевой обделкой. Грунты представлены как упруго-пластический материал, отвечающий условиям прочности Кулона-Мора. Обделка моделируется в виде колец соответствующей геометрии из плоских линейно упругих элементов (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема модели коллектора и параметры ее элементов

Результаты моделирования представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Результаты моделирования

Напряжения в первичной обделке на вертикальном и горизонтальном диаметрах достигают -24…+14 и -26 … +12 МПа соответственно.

Напряжения во вторичной обделке (рубашке) в безнапорном режиме незначительны.

Напряжения в первичной обделке в напорном режиме на вертикальном и горизонтальном диаметрах составляют -24 … +16 и -24 … +14 МПа соответственно.

Наличие напора приводит к росту растягивающих напряжений в первичной обделке. Сжимающие напряжения в первичной обделке слегка снижаются.

Во вторичной обделке наличие напора вызывает состояние, близкое к осевому растяжению, при напряжениях +2 МПа.

3. Технологические решения по организации строительства канализационного коллектора.

Строительство канализационного коллектора предлагается проводить с применением тоннелепроходческого комплекса, позволяющим осуществить строительство при наибольшей эффективности использования ассигнований на строительно-монтажные работы.

При разработке проекта в качестве основного горнопроходческого оборудования при закрытом способе проходки использован тоннелепроходческий механизированный комплекс (в дальнейшем ТПМК) марки AVN-3700АН, разработанный и изготовленный фирмой «HERRENKNECHT» (Германия). На стройплощадке для обеспечения работы ТПМК рекомендовано применять общестроительные машины и механизмы. Также в проекте применены тоннельные сегменты (блоки), изготовленные фирмой ЗАО «Метробетон» С.-Пб.

Коллектор находится под плотно застроенной территорией по Арсенальной набережной от Арсенальной ул. до пл. Ленина на глубине от 64,8 до 66,9м.

Проектом предусматривается организация наблюдений за деформациями зданий и набережной по трассе тоннеля.

Контроль за деформациями производится в целях: определения абсолютных и относительных величин просадок поверхности и деформации зданий.

Измерения деформаций и наблюдения должны производиться в течение всего периода строительства коллектора и в течение трех месяцев после окончания строительства.

В результате проведения измерений и вычислений в каждой серии замеров должны быть получены данные, обеспечивающие контроль состояния сооружений и набережной.

Каждая серия замеров должна сравниваться с данными первой серии, являющейся базовой для оценки развития деформаций. По окончании серии наблюдений и вычислений данные заносятся в таблицу, удобную для анализа результатов деформаций.

По всему периметру строительных площадок предусмотрено ограждение из железобетонных плит и из металлоконструкций с заполнением сеткой «Рабица».  На каждую площадку оборудованы два въезда с металлическими воротами. Въезд на площадку и зона движения по площадке строительной и дорожной техники осуществляется по существующему асфальтобетонному покрытию и по железобетонными дорожными плитами 2П30.18 (толщиной 17 см), уложенным на щебеночное основанию (t = 0,15м), с песчаной подсыпкой по верху (t = 0,05м).

На стартовой площадке шахты №428/1 для проходки тоннеля располагаются следующие существующие временные здания и сооружения.

На время проходки тоннеля в зоне «размыва» (с гидрооткаткой) дополнительно монтируются:

- бентонитовый узел – необходим для подачи бентонитового раствора за обделку сооружаемого тоннеля, состоит из бентонитового смесителя и бака (контейнерное здание);

- сепарационная установка для выделения грунта из пульпы (контейнерное здание).

На приемной строительной площадке шахты №426/1 используются существующие сооружения: вагон-бытовка, помещение сторожевой и пожарной охраны, пункт мойки колес автомашин с отстойником, вентилятор, компрессор, дизельная электростанция мощность 350кВА.

Работы по демонтажу ТПМК выполняются мобильной техникой, стационарные временные сооружения не требуются.

Стартовая шахта №428/1 диаметром 8,5м и сборно-монолитный руддвор предназначены для спуска и монтажа ТПМК, его вывода из руддвора и обеспечения дальнейшей проходки. Размеры стартовой шахты определены из условия монтажа ТПМК по частям с постепенным его выдвижением в руддвор. Длина руддвора определена минимальной длиной щитового комплекса для выпуска щита и возможностью обмена вагонеток при проходке тоннеля с использованием клетьевого подъема.

На время спуска элементов щита краном грузоподъемностью 300т и его монтажа для обеспечения безопасности по периметру ствола должно быть выполнено ограждение высотой 1,5 м.

Для обеспечения безопасности про проходке тоннеля ствол шахты перекрыт сплошным перекрытием, лестницы людского отделения ограждены сеткой и выполнены в соответствии с ПБ 03-428-02.

После выполнения проходческих работ из шахты 428/1 производится ее технологическое оснащение в соответствии с утвержденным проектом ПГКС.

Приемная шахта №426/1 диаметром 6,0/8,5м предназначена для приема и демонтажа щита по окончании проходки участка тоннеля. Размеры шахты определены с учетом максимальных габаритов монтажных элементов и обеспечения необходимых зазоров между элементами конструкций и монтажными элементами при демонтаже щита.

Для обеспечения безопасности демонтажа и подъема элементов щита по периметру ствола должно быть выполнено ограждение высотой 1,5 м.

После выполнения проходческих работ и демонтажа проходческого комплекса из шахты №426/1 производится ее технологическое оснащение в соответствии с утвержденным проектом ПГКС.

Проходка стволов ведется способом замораживания грунтов. Глубина ледогрунтового ограждения определяется наличием водоносных и водонасыщенных грунтов, толщина определяется расчетом.

Для проходки стволов №№ 426/1, 428/1 используются горные комплексы с использованием подвесного проходческого полка и бадьевого подъема.

Проектом предусматривается применение блочной железобетонной обделки заводской готовности. Наружный диаметр обделки 4300мм, внутренний 3700мм длина кольца в среднем составляет 1000мм (торцевые плоскости обделки непараллельные, что дает возможность за счет разворота колец сооружать криволинейные участки тоннеля). Блоки обделки изготавливаются из бетона марки не ниже В40 с водопроницаемостью W8 и поступают на площадку в полной готовности в заводской упаковке.

Конструкция обделки рассчитана на комбинацию максимальных нагрузок от давления грунта и гидростатическое давление.

Конструкция стыков блоков в кольце и между кольцами непроницаема для воды при максимально возможном гидростатическом давлении в окружающем массиве.

Для недопущения применения на строительстве дефектных блоков, все блоки, кроме заводской приемки, проходят площадочную приемку. Блоки, несоответствующие техническим требованиям, отбраковываются.

Области возможного использования результатов проекта:

Результаты проекта носят практический характер и могут быть использованы организациями, занимающимися строительством коллекторов в сложных инженерно-геологических условиях, а также в учебном процессе для подготовки специалистов строительных специальностей.

Список литературы:

1. Шигорин Г.Г., Ясман Л.М., Лысс М.Ш., Знаменский В.А. Проектирование и строительство канализации (опыт Ленинграда). – М.: Стройиздат, 1971. – 120 с.
2. Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены. – М.: Транспорт, 1975. – 551 с.