ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ И УНИКАЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА В Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Идея создать широкую сеть метрополитена в городе, воздвигнутом на 101 острове, кажется абсурдной, но именно это добавляет еще одну изюминку городу на Неве.

В 1820 году началась история подземной железной дороги. Многочисленные проекты отечественных инженеров предлагались к рассмотрению, но отвергались, то из-за неприятия прогресса и выбора более простых вариантов передвижения, то из-за высокой стоимости. Но только в 1941 году началось строительство первой очереди, а первый поезд проехал в 1955 году.

При проходке первые ленинградские метростроевцы, в большинстве своем вчерашние рабочие заводов, не имеющие опыта в горном деле, столкнулись с множеством трудностей. Больше всего сказывалось отсутствие достоверных данных об инженерно-геологических условиях. На пути встречались водонасыщенные пески и суглинки, липкие ленточные глины, ледниковые отложения с огромными валунами, песчаник, твердый как гранит. Был пройден долгий путь от вертикальных деревянных шахт до механизированных щитов для строительства тоннелей.

В г. Санкт – Петербург представлено 3 вида грунтов: прочные, которыми являются ледниковые и межледниковые средне- и верхнечетвертичные отложения и дочетвертичные скальные породы; неустойчивые, образовавшиеся из-за карста, суффозии и сезонной мерзлоты; слабые, относящиеся к постледниковому времени. Одна из особенностей метро в Санкт-Петербурге – станции глубокого заложения, построенные на сухих кембрийских глинах. Это связано прежде всего с тем, что выше 40-60 м. находятся неустойчивые обводнённые грунты. При строительстве в верхних слоях появляется необходимость постоянно сдерживать грунтовые воды.

Долгое время метростроители работали над тем, чтобы сделать возможным строительство станций мелкого заложения. В настоящее время существует две технологии, позволяющие строить станции на глубине не боле 20 м. Это «стена в грунте» и «заморозка».

Метод «заморозка грунта» применяется для временного придания прочности неустойчивым грунтам, а также исключает приток воды к месту выработки. Метод может применяться абсолютно в любых грунтах и заключается в том, что по всему периметру котлована бурят скважины, в которые опускают герметичные колонки, все установленные колонки соединены в единую систему с помощью гибких трубок. Первую в ряду колонку заполняют азотом, испаряясь, он поднимается вверх и по трубкам поступает во вторую колонку и так далее до последней, откуда азот переходит в атмосферу. Постепенно, в течение 40—60 суток вокруг скважин образуются цилиндры замороженного грунта, которые, в свою очередь, сливаются между собой, формируя единый массив, в котором впоследствии и работают проходчики. Данный метод – самый надёжный и универсальный способ временно улучшить механико-физические свойства водонасыщенных слабых грунтов.

Сооружение «стена в грунте» берет свое начало с устройства форшахты, которая начинается с пионерной траншеи. Закрепленная монолитной железобетонной крепью пионерная траншея образует форшахту. Затем в грунте разрабатывается основная траншея с вертикальными стенками с заполнением ее бентонитовым раствором, которая заполняя траншею, играет роль временной крепи и служит защитой от обрушения. По мере укладки бетона в траншею бентонитовый раствор вытесняется и откачивается. После полного застывания бетона производится поэтапное извлечение грунта с последующим строительством вестибюля. Метод может применяться в практически в любых нескальных грунтах, кроме рыхлых насыпных, текучих и плывунных.

Однако, как показала история, плывунные грунты довольно непредсказуемы. В 1974 на перегоне между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества», произошла авария в результате разрушительного воздействия плывуна на тоннели. Грунт не был заморожен и в результате бурения в  тоннели начала поступать водно-песчаная смесь. Это также привело к подвижкам грунта на поверхности, полопались рельсы трамваев, на зданиях появились трещины. В дальнейшем оттаивание грунта привело к неравномерному оседанию тоннелей и к новой аварии.

Плывуны при малейшем механическом воздействии способны разживаться, поэтому в настоящее время при прохождении этих грунтов рекомендуется:

• применение иглофильтров и электроосушение (вместо открытого водоотлива);
• при устройстве фундаментов с различной глубиной заложения вначале устраивать более глубокие фундаменты, а затем менее заглубленные;
• перед разработкой котлована укрепление периметров котлована путём искусственного замораживания или методом «стена в грунте».

Произведём расчет нагрузок на условный тоннель

Рисунок 1. Схема для расчета высоты свода обрушения

Нормативные равномерно распределенные нагрузки (вертикальную q^н и горизонтальную p^н, кН/м²), в условиях сводообразования для однородной толщи грунта:

;                                                               (1)

;                                 (2)

- высота свода обрушения над верхней точкой обделки;

 - нормативная плотность грунта, кН/м;

 - высота выработки, примем 10 м;

 - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля,  примем для глины φ = 30 град.;

Высоту свода обрушения над верхней точкой обделки в условиях сводообразования (рисунок 1) для нескальных необводненных грунтов следует определять по формуле 3:

;                                                                 (3)

L - величина пролета свода обрушения, определяемая по формуле 4:

;                                      (4)

¦ - коэффициент крепости, принимаемый по таблице 5.9, для сланцеватых глин ¦=1 [1];

b - величина пролета выработки, м. Примем односводчатую станцию b=13 м.

;  

Рисунок 2. Расчетная схема

Строительство метрополитенов – очень сложный и долгий процесс, перед которым важно изучить особенности породы, при необходимости провести перенос инженерных сетей, решить сложные вопросы по строительству в условиях плотной застройки, быть готовым к «сюрпризам» погоды, и, конечно же, провести все необходимые расчеты для того, чтобы передвижение по городу было быстрым и безопасным на протяжении многих лет.

Список литературы:

1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. - М.: Недра, 1989, 270 с.
2. Мир метро. – URL: http://www.mirmetro.net (дата обращения: 20.10.2018 )
3. СП 120.13330.2012 Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 (с Изменениями № 1, 2);
4. Федоров Михаил Петрович, Уманец Владимир Николаевич, Анализ геоэкологических проблем при строительстве городов (на примере Санкт-Петербурга) // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. №2-2 (100). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-geoekologicheskih-problem-pri-stroitelstve-gorodov-na-primere-sankt-peterburga (дата обращения: 25.10.2018).