Методика контроля деформаций земной поверхности при строительстве вертикальных стволов подземных коммуникаций в условиях мегаполиса

Современные условия освоения территорий мегаполисов характеризуются интенсивным строительством. Применительно к Санкт-Петербургу происходит возведение как наземных, так и подземных сооружений (метро, паркинги и различные коммуникации). При этом существующие здания и сооружения зачастую испытывают значительные деформации. В ряде случаев, особенно в последние годы, по этим причинам объекты признаны аварийными, чем были вызваны большие финансовые и моральные ущербы. В этой связи важной научно-практической задачей является обеспечение сохранности зданий и сооружений, находящихся в зонах влияния строящихся объектов. В нормативных документах вопрос контроля сохранности уже возведенных зданий и сооружений рассмотрен не в полной мере. В частности, не уделено достаточное внимание процессу изменения напряженно-деформированного состояния приповерхностной толщи пород, вследствие строительства подземных коммуникаций. Предрасчет допустимых значений деформаций земной поверхности и контролирование процесса их перераспределения при строительстве конкретного объекта позволят существенно повысить безопасность существующих зданий и сооружений.

Решение поставленной актуальной задачи связано с изучением современных технологий возведения подземных сооружений и коммуникаций. Их параметры соизмеримы с горнотехническими объектами. Так строящиеся в городских условиях стволы (элемент подземного коллектора) имеют диаметр около 20 м, и глубиной до 90 и более метров. Вопросами влияния подземных объектов (горных выработок) на земную поверхность и находящихся на ней зданий и сооружений занимались, в основном, маркшейдерские организации.

Большой вклад в развитие методов изучения процесса сдвижения пород при горных разработках и охраны зданий и сооружений, расположенных на земной поверхности, внесли такие ученые как:

С.Г. Авершин, Г. Л. Фисенко, В. А. Букринский, В.И. Борщ-Компаниец, Г. Кратч, И. А. Петухов, М. А. Иофис, А. Г. Акимов, В. Н. Земисев, P.A. Мулл ер, А. Н. Медянцев, Ю. А. Норватов, Ю. А. Кашников и др. Изучение вопросов сдвижения горных пород до недавнего времени преимущественно основывалось на эмпирических данных. Вместе с тем накопленный опыт по целому ряду месторождений полезных ископаемых дает хорошую основу для приложения этих результатов к вопросам строительства в мегаполисе. При этом использование современных средств моделирования процесса деформирования пород при строительстве подземных сооружений, а также средств маркшейдерско-геодезического контроля (электронные тахеометры) обеспечивает выполнение настоящей работы.

Цель диссертационной работы: разработка методики контроля деформаций земной поверхности при строительстве вертикальных стволов подземных коммуникаций, позволяющей повысить безопасность условий эксплуатации существующих зданий и сооружений.

Основные задачи исследований:

— анализ существующего опыта в области оценки и контроля деформаций зданий и сооружений, зафиксированного как в научно-теоретических работах, так и в нормативных документах;

— изучение и выбор программных средств моделирования деформированного состояния массива горных пород;

— разработка компьютерных моделей и моделирование процесса деформирования массива горных пород при строительстве вертикальных стволов подземных коммуникаций;

— разработка методики контроля деформаций земной поверхности при строительстве вертикальных стволов подземных коммуникаций вблизи разного типа зданий;

— проверка разработанной методики в натурных условиях.

Идея работы: оценка и последующий контроль деформаций земной поверхности при строительстве вертикальных стволов подземных коллекторов вблизи зданий могут быть осуществлены на основе компьютерного моделирования технологических стадий возведения стволавыбора варианта, удовлетворяющего допустимым значениям деформацийвыделения потенциально-опасных зон и организации для них серии специальных наблюдений.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) При строительстве вертикальных стволов подземных коллекторов в условиях застроенной территории обеспечение допустимого уровня деформаций земной поверхности для сохранности зданий достигается путем компьютерного моделирования технологических стадий возведения ствола и последующего контроля смещений земной поверхности на потенциально-опасных участках.

2)Зона деформаций земной поверхности, превышающих допустимые значения, при строительстве ствола подземного коллектора определяется с учетом способа его проходки, геометрических параметров и типа охраняемого здания и для условий Санкт-Петербурга может достигать 50 метров.

3) Обеспечение безаварийного состояния подрабатываемых зданий различного типа должно контролироваться специальными наблюдениями, включающими помимо оценки вертикальных оседаний горизонтальные деформации, наклоны и кривизну земной поверхности.

Научная новизна работы:

Реализован новый принцип в рассматриваемой тематике исследований, который заключается в использовании результатов компьютерного моделирования технологических стадий возведения вертикальных стволов подземных коллекторов и деформационного процесса вмещающего грунта.

Получены аналитические зависимости деформаций земной поверхности от геометрических параметров подземных коллекторов (стволов) и физико-механических свойств пород.

Установлены величины зон допустимых значений деформаций при строительстве вертикальных стволов для конкретных типов и категорий зданий.

Методы исследований. Использовался комплексный подход, включающий: анализ существующих нормативных и методических документовтеоретические методы для описания напряженно-деформированного состояния грунтового массива, включающего горную выработку (метод конечных элементов и его реализация в различных программных комплексах) — натурные исследования процесса деформирования земной поверхности с использованием современных маркшейдерско-геодезических приборов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается достаточным числом натурных данных, полученных при строительстве подземных коллекторов в Санкт-Петербурге и их хорошей согласованностью с результатами компьютерного моделирования.

Практическое значение работы. Разработана методика контроля допустимых деформаций земной поверхности для зданий различного типа при строительстве стволов подземных коммуникаций.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались, в частности на Международной конференции «Современные проблемы геомеханики, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства», октябрь 2011 г. в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Личный вклад автора состоит в формулировании и реализации задач исследований, обосновании научных положений и проведении следующих исследований:

— натурных наблюдений за деформациями зданий и земной поверхности на объектах строительства главного коллектора Санкт-Петербурга;

— разработке компьютерных моделей для определения напряженно-деформированного состояния земной поверхности при подработке;

— установлении зависимости зоны допустимых деформаций для различного типа зданий от свойств грунтов и геометрических параметров выработок.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 3 публикациях, 1 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.т.н. Мустафину Мурату Газизовичу, заведующему кафедрой маркшейдерского дела, профессору, д.т.н. Гусеву Владимиру Николаевичу, коллективу кафедр «Маркшейдерского дела» и «Инженерной геодезии» НМСУ «Горный», а также специалистам ООО «СТиС».

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ:

Представлена методика контроля деформаций земной поверхности при сооружении вертикальных горных выработок. Разработанная методика позволяет осуществлять контроль деформаций грунтового массива, земной и поверхности и зданий на ней при сооружении вертикальных выработок с учетом напряженно-деформированного состояния массива. Данную методику целесообразно использовать при сооружении выработок ручным способом. При механизированном способе проходки данная методика работает только в ближайших к выработке зонах вертикальных оседаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научно-технической задачи: разработана методика контроля деформаций земной поверхности при строительстве вертикальных стволов подземных коммуникаций в условиях современного российского мегаполиса. Предлагаемая методика реализована в рамках комплексного подхода и разрабатывалась в несколько этапов.

Во-первых, проведен анализ соответствующего теоретического материала как отечественной, так и зарубежной научной литературы. Во-вторых, на основе изучения свойств горных пород (грунтов) произведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива при строительстве вертикальных и горизонтальных горных выработок с учетом различных геологических условий. В-третьих, результаты моделирования сопоставлены с натурными наблюдениями, проведенными на строящихся объектах Главного канализационного коллектора Санкт-Петербурга (стартовый котлован тоннелей-водоводов Главной водопроводной станции, шахты №№ 11/1, 440/2, 423Н), в результате сравнения были получена хорошая их сходимость.

Предложенная методика охватывает все этапы технологического процесса контроля деформаций земной поверхности и зданий / сооружений, находящихся на подрабатываемых территориях. Методика заключается в определении модели влияния строительства выработки на земную поверхность и охраняемые здания / сооружения, что подразумевает использование определенных способов наблюдения за деформациями в зависимости от вида деформаций и объекта наблюдения.

Разработанная методика позволяет повысить безопасность условий эксплуатации существующих зданий при строительстве подземных коммуникаций за счет предварительной оценки деформаций земной поверхности с их последующим маркшейдерско-геодезическим мониторингом.

Теоретические изыскания и натурные наблюдения на объектах Главного канализационного коллектора Санкт-Петербурга позволяют сделать несколько значимых выводов.

Во-первых, при строительстве вертикальных стволов подземных коллекторов в условиях застроенной территории мегаполиса, обеспечение допустимого уровня деформаций земной поверхности для сохранности зданий достигается путем компьютерного моделирования технологических стадий возведения ствола и последующего контроля смещений земной поверхности на потенциально-опасных участках.

Разработанная методика в качестве основных критериев моделирования предполагает геологию и технологию строительства вертикальных горных выработок. Геологическим фактором выступает глубина залегания прочного глинистого основания (30, 50 и 70 метров). Факторами, относящимися к технологии строительства, определены: геометрические параметры выработки (глубина и диаметр), толщина обделки и способ сооружения выработки (ручной или механизированный).

Особое внимание уделено показателю наклона земной поверхности, поскольку неравномерность деформаций является одним из основных факторов разрушения зданий и сооружений на подрабатываемой земной поверхности.

Во-вторых, зона деформаций земной поверхности, превышающих допустимые значения, при строительстве ствола подземного коллектора определяется с учетом способа его проходки, геометрических параметров и типа охраняемого здания и для условий Санкт-Петербурга может достигать 50 метров.

В-третьих, обеспечение безаварийного состояния подрабатываемых зданий различного требует контроля при помощи специальных наблюдений, включающих помимо оценки вертикальных оседаний горизонтальные деформации, наклоны и кривизну земной поверхности.

Показатель наклона земной поверхности является достаточно важным фактором, а иногда даже преобладающим над другими, в частности, над показателем вертикальных оседаний, при организации маркшейдерско-геодезического мониторинга.

В-четвертых, методика контроля деформаций земной поверхности целесообразна для использования при сооружении выработок ручным способом. Механизированный способ проходки позволяет использовать данную методику только в ближайших к выработке зонах вертикальных оседаний.

Данная диссертационная работа содержит в себе реализацию нового принципа в рассматриваемой тематике исследований, который заключается в использовании компьютерного моделирования деформационного процесса и построения моделей типа «ствол — породный массив — земная поверхность».

Кроме того, получены аналитические зависимости деформаций земной поверхности от геометрических параметров подземных коллекторов (стволов) и физико-механических свойств пород. А так же установлены величины зон допустимых деформаций при строительстве вертикального ствола для конкретных типов и категорий зданий.

Результаты представленного диссертационного исследования могут быть использованы как в практической прикладной деятельности (при планировании строительства подземных коммуникаций в условиях мегаполиса), так и в обучающих целях (при подготовке специалистов по направлению «Геодезия и маркшейдерское дело»).