Оглавление

3.2. Геодинамическая безопасность метрополитенов и других объектов промышленного и гражданского строительства в развитых регионах и мегаполисах

Опыт проведения работ по эксплуатации действующих тоннелей метрополитена дает право утверждать, что во многих случаях тоннели подвергаются очевидным деформациям, проявляющимися в форме продольных трещин, под действием на первый взгляд, несущественных причин. Было отмечено, что проведение 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.

Приходится полагать, что существует иная причина, порождающая знакопеременные деформации с амплитудой, намного большей ошибок измерений, и периодом от нескольких месяцев до нескольких дней.

Известно, что на территориях городских и промышленных агломераций геологическая среда испытывает мощное техногенное воздействие. К таким негативным для геологической среды процессам, необходимо отнести интенсивное водопонижение, горные выработки и подземное строительство, сброс на поверхность или в подземные негерметичные полости горячей воды или других агрессивных жидкостей, утечки из систем водо- и теплоснабжения, аварии канализационных сетей различного назначения, разлив нефти и нефтепродуктов и т.п.

Эти явления выводят геологическую среду из состояния равновесия и могут явиться либо причиной деформаций земной поверхности (силовым образом), либо спровоцировать активизацию СД-процессов путем параметрического индуцирования. При этом, если учесть, что, например, в г. Москве, в диапазонах глубин залегания тоннелей метрополитенов, повсеместно распространены сильно трещиноватые, флюидонасыщенные известняки (Осипов, Медведев, Адилов и др., 1997), то становится реальной ситуация, когда доминирующую роль в формировании аномальных геодинамических явлений играют СД-процессы.

Иными словами складывается порочной круг:

·       на фоне вялотекущих вековых геодинамических процессов, свойственных для данной территории, на отдельных локальных участках действуют СД-процессы;

·       на участках, подверженных СД-процессам происходит деградация геологической среды – появляются зоны с ослабленными прочностными характеристиками;

·       в этих зонах увеличивается вероятность возникновение аварий и, следовательно, создается благоприятная обстановка для дальнейшего негативного воздействия СД-процессов.

В конечном итоге неуклонно растет та часть урбанизированной теории, на которой прогрессирует деградация геологической среды со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Известно, что все городские и промышленные территории тяготеют к водотокам, а это один из возможных признаков наличия в среде разрывных нарушений или зон повышенной трещиноватости. Отсюда следует вывод, что любая урбанизированная территория является в той или иной мере благоприятной ареной проявления СД-процессов.

Естественно, что такой гигантский мегаполис, как Москва не является исключением из этого правила.

Территория Москвы расположена в центральной части асейсмичной Русской платформы. Однако, это не означает, что в пределах городской территории нет активных разломов. Если положить, что водотоки в той или иной мере совпадают с зонами разломами различного порядка, а так как в пределах городской черты имеются достаточно крупные реки и большое множество их притоков, то ясно, что в пределах городской черты имеют место разломные зоны различного типа и порядка. Следует иметь ввиду, что в процессе урбанизации городской территории многие водотоки были заключены в подземные водоводы, овраги и болота засыпаны и поэтому естественные формы рельефа оказались сглажены. Однако исходная система разломных зон и областей повышенной трещиноватости остались неизменными и продолжают свое развитие.

Так, Теплостанская возвышенность поднимается примерно со скоростью 1 мм в год, остальная часть, отделенная от этой возвышенности разломом, совпадающим с современным руслом реки Москвы – опускается с такой же скоростью На фоне этих вековых движений центр города опустился примерно на 50 мм за последние 15 – 20 лет.

Естественно, что в результате существующего хода движений и постоянно возрастающей техногенной нагрузки геологическое основание находится в неоднородном напряженно-деформированном состоянии.

В городе проявилось новое опасное явление – карст, который до 1969 года не наблюдался. Этот факт, с одной стороны, можно рассматривать как последствие техногенных воздействий, а с другой стороны, как упомянутую деградацию геологической среды, обусловленную развитием СД-процессов.

Последнее утверждение требует пояснений. Достоверное утверждение о протекании СД-процессов возможно только по результатам анализа повторных геодезических наблюдений. При этом в процессе анализа необходимо зафиксировать специфические динамические особенности СД-процессов, о которых говорилось ранее.

Интенсификация СД-процессов в существенной степени зависит от типа и уровня техногенных воздействий. В качестве одного из таких воздействий можно рассмотреть вскрытие крупных котлованов, длительное замачивание грунта и т.п.

Подходящей иллюстрацией для этого служат аномальные деформации тоннелей метрополитена в районе подземного строительства на Манежной площади, которые были зафиксированы инструментально геодезическими методами (Власенко, Кузьмин, Федосеев, 1997).

Объектом исследований являлся узел действующих тоннелей Московского метрополитена. В районе Моховой улицы на глубине более 10 метров проходит старейшая Сокольническая линия.

По своей конструкции это мощный железобетонный короб, внутри которого расположены железобетонные чистовые обделки первого и второго пути. Этот элемент эксплуатируемого тоннеля отделен от котлована слоем грунта и стеной в грунте, оконтуривающей котлован.

Примерно по середине участка между гостиницей «Москва» и Манежем это конструкция заключена в еще более объемное сооружение – камеру съездов, от которой отходит два технологических перегонных тоннеля. Ветка, отходящая от второго пути, ближнего к котловану, в процессе строительства ликвидирована. Вторая ветка начинается в камере съездов в расширенной части между правым и левым тоннелями, поднимается вверх и, после пересечения тоннеля второго пути, проходит под углом перед фасадом Манежа, где в следующей камере съездов она соединяется с Филевской линией.

Часть обделки этого тоннеля, расположенная перед Манежем, в процессе ведения земляных работ была вскрыта, так как она расположена выше отметки дна котлована. Филевская линия, которая используется в настоящее время только как перегонная ветка, проходит между зданием Манежа и коллектором реки Неглинки.

После соединения с технологической веткой этот однопутный тоннель разветвляется на правый и левый путь и по дуге большого радиуса с увеличением глубины заложения уходит под здание Исторического музея, предварительно пройдя под коллектором реки Неглинки. Затем в камере съездов он соединяется с тоннелями действующей Арбатско-Покровской линии.

Арбатско-Покровская линия, на участке между станцией «Площадь Революции» и «Арбатская», в районе строительства проходит глубже отметки дна котлована на несколько десятков метров между Кремлем и коллектором реки Неглинки, который она пересекает недалеко от Манежа.

Все тоннели, за исключением тоннелей Сокольнической линии, конструкция которой была описана, облицованы чугунными тюбингами.

Прилегающая к району строительства территория насыщена различными подземными коммуникациями: коллекторами ливневой и фекальной канализации, водоводами, теплотрассами, кабельными сетями и т.п. Частично эти инженерные коммуникации пришлось перекладывать, что сопровождалось вскрытием котлованов и, как следствие, разуплотнением и разупрочнением геологической среды.

Необходимо отметить, что район строительства 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 (Осипов, Медведев, Абдилов, и др., 1997).

По расчетам, выполненным по классическим схемам, то есть без учета СД-процессов, максимальные горизонтальные смещения наиболее близко расположенных к котловану участков Сокольнической линии не должны превосходить 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 «Радиус-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 нивелирных ходов по специальной методике.

В процессе работы были использованы необходимые требования к точности наблюдений, которые диктуются инструкцией ВСН-69.

Применительно к данной задаче была разработана специальная методика уравнительных вычислений, которая является разновидностью параметрического уравнения 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 в анализе использовались координаты более чем 70 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 разгруженной части среды (к котловану). При этом амплитуды аномальных движений более чем в 4 раза превосходят среднюю квадратическую ошибку своего определения.

В этой связи, в качестве наиболее естественной причиной движения тоннеля в сторону, противоположенную давлению грунта, можно рассматривать СД-процессы. 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. 3.1).

На рис. 3.1 по горизонтальной оси отложено время (номер цикла), а по вертикальной оси – смещение, причем каждому реперу, в зависимости от его амплитуды, соответствует столбики различной высоты. Из диаграммы отчетливо следует спорадический, знакопеременный смещений, длительность которых составляет примерно 1 – 3 месяца.

Естественно, что это явление наиболее ярко проявляется на участке максимально приближенном к котловану и затухает по мере удаления от него. Вместе с тем, можно уверенно утверждать, что аномально активный участок превосходит размеры котлована и значительно простирается за линию фасада Манежа и гостиницы «Москва», то есть в зону, которая практически не затронута строительством.

Детальный анализ знакопеременной части смещений выявил два принципиальных и неожиданных (с традиционной точки зрения) факта:

В процессе дальнейшего анализа экспериментальный материал был 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 СД. 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 во времени, размахи колебаний не сократились и достигли величин 52.5 мм.

При рассмотрении спектрального представления смещений отчетливо видно, что первая и вторая гармоники отражают влияние годового и сезонного хода изменений внешних условий. 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 СД-процессов. Восьмая гармоника соответствует затуханию процесса.

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 СД-процессов явно усиливается со временем, прошедшим от начала наблюдений.

Также как и в предыдущем случае, влияние СД-процессов на смещение тоннеля возрастает к середине участка и захватывает участок более протяженный, нежели размеры котлована. Влияние хода годовых изменений внешних условий практически незначимо, 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 СД-процессов оказывает большее влияние на первый (дальний от котлована) путь, чем на второй, находит естественное объяснение, если полагать, что предполагаемая зона активного разлома находится в районе реки Неглинки.

Как отмечалось ранее, ниже толщи черных пластичных глин располагается слой трещиноватого известняка. При этом необходимо отметить, что эта граница перехода, расположенная на глубине 60¸70 м, служит водоупором, отделяющим поверхностные воды от глубинных. Выше неоднократно отмечалось, что наличие трещиноватой флюидонасыщенной среды в локализованных объемах способно приводить к периодической потере устойчивости монотонного хода тектонических деформаций и к возникновению СД-процессов.

Как следует из результатов математического моделирования, наличие поверхностей свободных от напряжений (разгруженные стенки котлована) увеличивает аномальные смещения в 1.5¸2 раза на расстояниях от 0 до 50 метров от источника. В этом случае естественным образом объясняется повышенная деформационная активность тех участков тоннеля, которые либо непосредственно обнажены котлованом, либо находятся в максимальной близости к нему.

Если обратиться к рис. 1.17, на котором ранее было приведено распределение вертикальных и горизонтальных смещений приповерхностного слоя геологического основания определенного для модели среды, содержащей активизированный фрагмент зоны разлома, то видно, что распределение горизонтальных смещений имеет такую конфигурацию, что вблизи зоны разлома ближайшая к нему точка будет иметь меньшую амплитуду, чем отстоящая дальше.

Таким образом, если имеет место активизация СД-процессов в районе реки Неглинки, то их деформационное влияние будет больше для первого пути, чем для второго.

Для проверки этого утверждения 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 СД-процессов. Иными словами, деформации этого тоннеля, расположенного всего сотне метров от Сокольнической линии, никаких признаков воздействия СД-процессов не обнаружили.

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, генерирующей СД-процессы. При этом причиной генерации этих процессов послужило начало строительных работ на Манежной площади.

Иными словами, очевидно, что земляные работы на Манежной площади возбудили (индуцировали) СД-процессы, которые продолжались и после прекращения строительства.

Современные аномальные геодинамические процессы в зонах асейсмичных разломов могут быть распространены по всей территории Москвы.

На рис. 3.2 представлены результаты повторных нивелирных наблюдений, выполненных по методике 1 класса, которые любезно предоставлены автору В.И. Кафтаном и Ю.Г. Кузнецовым. На этом графике показаны результаты измерений, период повторения между которыми составлял почти 25 лет.

Как следует из приведенных материалов, аномальные амплитуды вертикальных движений земной поверхности достигают величин порядка 25¸35 мм. При этом видно. что морфологически эти аномальные движения относятся к типу g.

Однако, если определять скорости современных вертикальных движений земной поверхности в зонах проявления этих аномалий то они окажутся на уровне величин составляющих первые мм в год, что и отмечалось неоднократно различными исследователями.

Наиболее «убедительно» это выглядит на карте скоростей современных вертикальных движений земной поверхности, когда осреднение производится не только по времени (подсчет скоростей), но и по пространству (интерполирование изолиний).  Именно по этой причине обычно делается вывод  о низкой современной геодинамической активности территории г. Москвы.

Как неоднократно подчеркивалось выше длительность протекания СД-процессов составляет периоды от первых месяцев до первых лет. В этом случае выявленные на графике аномальные просадки земной поверхности могли быть сформированы в любой, более короткий, промежуток времени заключенный в интервале между двумя повторными циклами геодезических наблюдений.

Примечательно, что аномалиям приуроченным к вековому реперу 13 и Даниловскому кладбищу, соответствуют интенсивные понижения рельефа, а аномальной просадке в районе метро «Сокол» такого понижения не отмечается. Вероятно первые две аномалии соответствуют природной составляющей процесса. а третья обусловлена влиянием техногенного фактора (наличием метрополитена).

Таким образом становится очевидным необходимость тщательного учета СД-процессов при строительстве и эксплуатации крупных зданий и инженерно-технических сооружений с развитой подземной инфраструктурой, которые в последние годы активно внедряются не только в мегаполисах (Москва, Нью-Йорк, Токио и т.д.), но и в целом ряде промышленно развитых регионов, как нашей страны, так и за рубежом.

Оглавление