СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КАК ФАКТОР БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Исследование влияний геодинамических проявлений на такие подземные объекты, как метрополитены, обобщены в работе Ю. О. Кузьмина [Кузьмин Ю. О., 1996]. Опыт работ, описанных в данном разделе, может быть с успехом распространен и на другие подобные объекты, например, на подрабатываемые территории, такие как одесские катаком
бы.
Опыт проведения работ по эксплуатации действующих тоннелей метрополитена дает право утверждать, что во многих случаях тоннели подвергаются очевидным деформациям, проявляющимся в форме продольных трещин, под действием на первый взгляд несущественных причин. Было отмечено, что проведение в зоне расположения тоннелей неглубокого заложения даже незначительных по объему земляных работ, например, прокладка траншеи для теплотрассы или вскрытие небольших котлованов, зачастую неожиданно приводит к появлению трещин в обделке, которые интенсивно развиваются вдоль тоннеля. В иных случаях, проведение в зоне расположения тоннелей значительно более существенных земляных и строительных работ абсолютно не сказывается на эксплуатационных качествах тоннеля. Как правило, такую разницу объясняют различиями в геологическом строении основания. Однако такое объяснение никак не согласуется со знакопеременными движениями тоннелей при условии, что наблюдаемые смещения по периоду и фазе не коррелируют с изменением влагонасыщенности основания и изменением его температуры [Кузьмин Ю. О., 1996].Существует иная причина, порождающая знакопеременные деформации с амплитудой, намного большей ошибок измерений, и периодом от нескольких месяцев до нескольких дней: на фоне вялотекущих вековых геодинамических процессов действуют быстрые геодеформационные процессы; на участках, подверженных быстрым геодеформационным процессам, происходит деградация геологической среды — появляются зоны с ослабленными прочностными характеристиками.
Ю. О.
Кузьминым рассмотрены аномальные деформации тоннелей Московского метрополитена в районе подземного строительства на Манежной площади, которые были зафиксированы инструментально геодезическими методами.Необходимо отметить, что район относится к неблагоприятным в геодинамическом отношении участкам Москвы. Известны довольно частые локальные проседания почвы в районах расположения гостиниц “Националь” и “Метрополь”, то есть на участках, приуроченных к разным бортам долины реки Неглинки.
По расчетам, выполненным по классическим схемам, то есть без учета быстрых геодеформационных процессов, максимальные горизонтальные смещения наиболее близко расположенных к котловану участков Сокольнической линии не должны были превысить 20-25 мм, что в несколько раз меньше величин, способных повлиять на безопасность тоннелей.
Тем не менее были организованы систематические геодезические наблюдения за плановыми и высотными смещениями тоннелей на участках от станции “Охотный ряд” до участка, расположенного в сотне метров от станции “Библиотека им. Ленина”, от участка за камерой съездов, расположенной около Манежа, до камеры съездов, расположенной вблизи станции “Площадь революции”.
Геодезические наблюдения проводились специалистами ТОО “Ра- диус-М” с мая 1994 г. с периодичностью приблизительно один раз в месяц. Плановые смещения определялись путем построения отдельных ходов основной подземной полигонометрии, а высотные — путем проложения высокочастотных нивелирных ходов по специальной методике. Наблюдения велись в связи с изучением проблемы влияния котлована на динамические характеристики метрополитена.
В процессе работы были использованы необходимые требования к точности наблюдений, которые диктуются инструкцией ВСН-69 [Кузьмин Ю. О., 1996].
Применительно к данной задаче была разработана специальная методика уравнительных вычислений, которая является разновидностью параметрического уравнивания геодезических построений с координатной привязкой. Эта технология заслуживает отдельно обсуждения, однако для данной работы существенным является факт, что средняя квадратическая ошибка в определении смещений знаков в плане не превосходит 9 мм, а по высоте 1-1,5 мм.
Всего при анализе использовались координаты более чем 70 геодезических знаков, полученные за 1,5 года.Целью анализа данных натурных геодезических измерений являлась оценка современных деформаций эксплуатируемых тоннелей. В процессе работы были получены аномальные, по сравнению с расчетными, смещения обделки тоннелей: величины горизонтальных смещений превзошли ожидаемые более чем в два раза и имели знакопеременный характер.
Наибольшие смещения зафиксированы на тоннеле второго пути Сокольнической линии, который расположен ближе к котловану, нежели первый путь. Среднее смещение составило 12,8 мм в сторону котлована. При этом обращает на себя внимание наличие интенсивной знакопеременной составляющей.
Наряду с прогибами в сторону котлована, приходящимися на участок, расположенный в непосредственной близости от стенки в грунте, оконтуривающей котлован, имеют место существенные деформации, направленные в противоположную от котлована сторону. Это явление невозможно объяснить статическим давлением грунта в сторону раз
груженной части среды (к котловану). При этом амплитуды аномальных движений более чем в 4 раза превосходят точность определения средней квадратической погрешности.
В этой связи в качестве наиболее естественной причины движения тоннеля в сторону, противоположную давлению грунта, можно предположить фактор быстрых геодеформационных процессов. Для доказательства этого построена пространственно-временная диаграмма смещений, отнесенных (центрированных) к среднему смещению в форме, удобной для детального анализа развития процесса эволюции горизонтальных смещений во времени (рис. 2.4.1).
На рис. 2.4.1 по горизонтальной оси отложено время (номер цикла), а по вертикальной оси — смещение, причем каждому реперу, в зависимости от его амплитуды, соответствуют их значения высоты. Из диаграммы отчетливо следует спорадический, знакопеременный характер смещений, длительность которых составляет примерно 1-3 месяца.
Детальный анализ знакопеременной части смещений выявил два принципиальных и неожиданных (с традиционной точки зрения) факта: амплитуды горизонтальных смещений в пределах дальнего от котлована тоннеля превосходят по величине смещения, зарегистрированные в ближнем тоннеле;
Рис.
2.4.1. Пространственно-временная диаграмма распределения смещений (мм) вдоль тоннеля Московского метрополитена (Сокольническая линия), отнесенных (центрированных) к среднему смещению. [Кузьмин Ю. О., 1996]
аномальные деформации наблюдаются и после окончания строительных работ, причем их амплитуда нарастает по величине.
В процессе дальнейшего анализа экспериментальный материал был подвергнут спектральному анализу. Необходимо отметить, что прогиб тоннеля к котловану, который описывается нулевой гармоникой спектрального разложения, по амплитуде примерно в 1,6 раза превосходит расчетные, которые были выполнены в рамках традиционной схемы, то есть без учета быстрых геодеформационных процессов. Их максимум приходится на точки, практически примыкающие к котловану, все смещения направлены к котловану. Среднее значение по участку тоннеля практически точно соответствует расчетному и составляет 24,6 мм.
При анализе знакопеременной части спектра обращает на себя внимание тот факт, что исследуемый процесс имеет тенденцию к увеличению амплитуды колебаний во времени, размахи колебаний не сократились и достигли величин 52,5 мм.
При изучении спектрального представления смещений выявлено, что первая и вторая гармоники отражают влияние годового и сезонного хода изменений внешних условий. По мнению Ю. О. Кузьмина, первая гармоника может быть обусловлена влиянием годового хода температур и формированием тепловых деформаций тоннелей. Вторую гармонику можно рассматривать как отражение сезонного хода влагонасыщенности грунта в результате впитывания атмосферных осадков. До вскрытия котлована атмосферные осадки не воздействовали на грунт. Снятие дорожных одежд сделало этот процесс значимой причиной знакопеременных смещений. Однако эти составляющие смещений не являются превалирующими.
Максимальный вклад приходится на четвертую, пятую, шестую и седьмую гармоники. При этом четвертая, пятая и шестая гармоники, периоды которых лежат в промежутке от 3 до 1,5 месяцев, как раз приходятся на временной интервал, характерный для быстрых геодеформационных процессов.
Есть и восьмая гармоника, характеризующая периодичность менее 1,5 месяца.Представляется интересным рассмотреть аналогичные характеристики для первого пути Сокольнической линии, который расположен примерно на 20 м дальше от котлована. Оказалось, что непериодическая часть смещений этого тоннеля почти в два раза меньше, чем второго, среднее смещение составило всего 0,96 мм в сторону котлована.
Вместе с тем амплитуды знакопеременной части смещений для первого пути гораздо интенсивней, чем для тоннеля второго пути.
Таким образом, влияние быстрых геодеформационных процессов явно усиливается со временем, прошедшим от начала наблюдений.
Так же, как и в предыдущем случае, влияние быстрых геодеформа- ционных процессов на смещение тоннеля возрастает к середине участка и захватывает участок более протяженный, нежели размеры котлована. Влияние хода годовых изменений внешних условий практически незначимы, что объясняется удаленностью тоннеля от котлована и сохранностью дорожных одежд.
Проведенный анализ приводит к парадоксальному факту: с удалением от котлована интенсивность аномального деформационного процесса возрастает.
Тот факт, что амплитуда быстрых геодеформационных процессов оказывает большее влияние на первый (дальний от котлована) путь, чем на второй, находит естественное объяснение, если полагать, что здесь проходит зона активного разлома (река Неглинка).
Для проверки этого утверждения Ю. О. Кузьминым было рассмотрено поведение горизонтальных смещений тоннеля Арбатско-Покровской линии, который распложен в непосредственной близости от коллектора реки Неглинки.
Проведенный анализ позволяет утверждать, что в данном случае не удалось выявить высокочастотную составляющую горизонтальных смещений, характерную для быстрых геодеформационных процессов. Иными словами, деформации этого тоннеля, расположенного всего в сотне метров от Сокольнической линии, никаких признаков воздействия быстрых геодеформационных процессов не были обнаружены.
Таким образом, можно утверждать, что пространственно-временные характеристики смещений, определенных в процессе проведения производственных работ, удовлетворительно объясняются с позиций существования, в ближайшей окрестности от исследуемого участка тоннелей метрополитена, зоны, подверженой воздействию быстрых геодеформационных процессов. Современные аномальные геодинамические процессы в зонах асейсмичных разломов могут быть распространены по всей территории Москвы.