Строительство станции метрополитена глубокого заложения в условиях стеснённой городской среды

1. Введение

Современные города сталкиваются с постоянным ростом транспортной нагрузки, что обостряет потребность в развитии эффективных и экологичных видов транспорта. Одним из наиболее перспективных решений остаётся развитие метрополитена – системы, позволяющей обеспечить массовые пассажироперевозки без увеличения нагрузки на улично-дорожную сеть. Особую актуальность приобретает строительство новых станций в сложившейся городской среде, где плотность застройки, насыщенность подземного пространства инженерными коммуникациями и сложные инженерно-геологические условия требуют применения инновационных строительных технологий.

Настоящая статья посвящена анализу проектных и технологических решений при строительстве станции метрополитена глубокого заложения пилонного типа с применением щитовой проходки и технологии «пилот-тоннель», обеспечивающих минимальное воздействие на городскую среду.

2. Цель исследования

Целью данной работы является обоснование выбора конструктивной схемы и технологии строительства станции метрополитена глубокого заложения в условиях плотной городской застройки, а также выявление преимуществ внедрения экологически и технически эффективных решений, обеспечивающих устойчивое развитие городской инфраструктуры.

3. Обзор аналогов и обоснование

В условиях плотной застройки предпочтение отдаётся технологиям, позволяющим ограничить размеры строительных площадок, снизить уровень вибраций, шумов и осадок поверхности. Щитовая проходка здесь выбивается в явные лидеры. Данный способ отличается высокой скоростью проходки и автоматизацией. Иные же способы ведения работ, такие как, буровзрывной метод и открытый способ, разработка грунта в котором производится в открытом котловане, требуют больших строительных площадок, обеспечивают высокий уровень вибраций и шума, риск повреждения близлежащих сооружений. На фоне перечисленного технология «пилот-тоннель» в сочетании с пилонной схемой станции обладает рядом преимуществ, а главное – возможным и экономически целесообразным в условиях плотной городской застройки. Технология «пилот-тоннель» с механизированной проходкой перегонных тоннелей посредством ТПМК применяется в ведущих мировых мегаполисах –Москве, Лондоне, Гонконге, Сингапуре. Свою популярность технология обрела за счет совокупности положительных особенностей схемы станции:

• Разделение объемов работ на «отсеки» позволят вести комплекс работ поэтапно.
• Поперечное сечение станции меньше, чем у колонной, следовательно уменьшается объем выемки грунта.
• Снижение риска деформации, что ведет к упрощению технологии контроля выполнения работ и к более детальному контролю напряженного состояния грунта.

Пилонная схема станции позволяет оптимизировать поперечное сечение выработки и осуществлять поэтапное строительство, разделяя объёмы станции пилонами. Это повышает строительную безопасность, снижает влияние на прилегающие здания и обеспечивает гибкость при выполнении работ в сложных инженерно-геологических условиях.

4. Методика / Объект исследования

Объектом исследования является проектируемая станция метрополитена глубокого заложения пилонного типа, строительство которой осуществляется в условиях плотной городской застройки на территории города Москвы. Глубина заложения станции составляет порядка 30 метров. Геологические условия участка характеризуются преимущественно суглинистыми грунтами с локальным насыщением водоносными горизонтами, что требует применения устойчивых и маловибрационных технологий проходки.

Тип станции. Выбранная конструктивная схема – трёхсводчатая пилонная станция – позволяет минимизировать габариты подземной выработки и обеспечить этапность строительства. Технология сооружения станции основана на принципе «пилот-тоннель»: предварительная проходка контурных выработок малого сечения с последующим их расширением до проектного габарита станции. Данный подход позволяет реализовывать поэтапное строительство в стеснённых условиях, сокращая риск деформационного воздействия на окружающую инфраструктуру.

Рис. 1. Поперечный разрез станционного комплекса

Рис. 2. Продольный разрез пилона

Рис. 3. 3D изображение конструкции из железобетонных блоков

Метод проходки перегонных тоннелей. Сооружение станционного комплекса будет производиться закрытым способом. Данный метод позволяет гарантировать соблюдение и выполнение важных условий для обеспечения безопасности и эксплуатации конструкции. Устойчивость к внешним и внутренним воздействиями обеспечиваем бесперебойную работу инфраструктуры на поверхности, жители близлежащих районов минимально ощутят весь комплекс подготовительных, строительных и пусконаладочных работ. Работы по сооружению выполняют, как правило, несколько подразделений.

Помимо работы непосредственно в забое, большое количество людей занимается контролем и мониторингом, анализом и наблюдением за различными вспомогательными территориями. наблюдением за различными вспомогательными территориями. Последовательная схема сооружения станции увеличивает общие сроки строительства, однако, данный подход позволяет более детально отслеживать весь процесс работ, вносить изменения и корректировки, учитывать новые реалии, сложившиеся в процессе возведения станции.

Особенности участка. Зона строительства характеризуется высокой плотностью жилой и коммерческой застройки, наличием подземных инженерных коммуникаций, включая водопроводы, электросети и коллекторы. Расстояние до ближайших фундаментов зданий составляет 20 м, что требует контроля параметров вибрационного воздействия и вертикальных осадок в процессе выполнения работ.

Влияние на окружающие здания: нормативная база. В соответствии с действующими нормами (СП 14.13330, СП 22.13330, DIN 4150-3) при строительстве подземных сооружений необходимо учитывать взаимное влияние на близлежащие здания и инфраструктуру. В рамках данной статьи основной акцент сделан на анализе вибрационных воздействий при применении технологии «пилот-тоннель». Подробные вопросы защиты от шума, блуждающих токов и других факторов остаются за рамками исследования, однако в проектной документации предусматриваются соответствующие меры.

Действующие нормативные акты

Таблица 1

Основные нормативные акты

Приведённые нормативные документы устанавливают предельно допустимые уровни вибрации, осадок и шума, которые должны учитываться при проектировании и строительстве станций метрополитена. В рамках данного исследования акцент сделан на параметрах виброскорости и осадок зданий как наиболее критичных для условий плотной городской застройки. Таким образом, соблюдение данных требований является обязательным к исполнению при реализации строительства. Данная технология «пилот-тоннель» позволяет удерживать значения вибраций и осадок в допустимых пределах что подтверждает ее эффективность в условиях плотной городской застройки.

Таблица 2

Этапность проведения работ при технологии «пилот-тоннель»

Рис. 4. Ситуационный план

Рис. 5. Спецификация помещений и оборудования

5. Результаты и обсуждение

Рис. 6. График типовой зависимости виброскорости от расстояния до здания

В результате анализа проектных решений и сопоставления с нормативными требованиями установлено, что применение технологии «пилот-тоннель» при строительстве станции глубокого заложения в условиях плотной городской застройки позволяет существенно снизить влияние на окружающую инфраструктуру.

5.1. Вибрационное воздействие

Вибрационное воздействие является ключевым фактором, определяющим безопасность. По данным нормативов DIN 4150-3:2016 и СП 465.1325800.2019, предельно допустимая виброскорость для зданий I–II категории не должна превышать 5 мм/с в диапазоне частот от 8 до 80 Гц.

На рисунке 1 представлена типовая зависимость виброскорости (PPV) от расстояния до зданий при проходке в суглинистых грунтах на глубине около 30 м. Анализ показывает, что при расстоянии до здания более 15 м вибрации снижаются до уровня 3–4 мм/с, что укладывается в нормативные пределы. На расстоянии 20–25 м значение виброскорости обычно не превышает 2-3 мм/с.

Данный вывод позволяет сделать вывод, что технология «пилот-тоннель» обеспечивает контролируемое распространение вибраций.

Одним из ключевых показателей воздействия подземного строительства на окружающую среду является величина вертикальных осадок зданий. В соответствии с требованиями СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», предельно допустимая осадка зданий не должна превышать 10 мм.

Результаты анализа литературных данных показывают, что при применении технологии «пилот-тоннель» в условиях аналогичных геологических характеристик осадки зданий составляют 4–8 мм, что существенно ниже предельно допустимого уровня.

Стоит отметить, что такое снижение характеризуется именно методом разработки грунта, а именно поэтапностью выполнения работ и постепенное расширение выработки, что дает снижение разгрузки на массив грунта. Контроль напряженно-деформированного состояния позволяет избежать концентрацию деформаций в зоне фундаментов зданий.

5.2 Сравнение технологий строительства станции

Для заключения выделения положительных черт данной технологии привожу сравнительную оценку с альтернативными методами строительства станции глубокого заложения: щитовой проходкой, буровзрывной метод и технологией отрытого способа ведения работ.

Таблица 3

Сравнение технологий по основным параметрам

Основные выводы по результатам:

Проведённое сравнение подтверждает, что технология «пилот-тоннель» обладает комплексными преимуществами в условиях плотной городской застройки. В отличие от открытого способа, требующего значительных площадей и сопровождающегося риском деформаций прилегающих зданий, метод пилот-тоннель позволяет вести строительство с минимальными нарушениями городской среды.

По совокупности факторов – низкому уровню вибраций, управляемости процесса, безопасности и контролю осадок – данный метод представляет собой наиболее рациональное решение для сооружения станций глубокого заложения.

Эти результаты согласуются с современными тенденциями подземного строительства, направленными на снижение воздействия на существующую инфраструктуру при сохранении производительности и качества строительных процессов.

Ограничением данного исследования является отсутствие инструментальных замеров вибраций и осадок. Тем не менее, сопоставление с опубликованными данными и нормативными требованиями позволяет сделать достоверные качественные выводы.

5.3 Аналитическая оценка вибрационного воздействия при щитовой проходке

В предварительной инженерной оценке вибрационного воздействия при механизированной проходке тоннелей широко применяется аппроксимация затухания максимальной виброскорости PPV (пиковая скорость частиц) с расстоянием степенной зависимостью. В качестве расчетной модели принимается выражение:

, (1)

PPV(R) – прогнозируемая максимальная виброскорость на расстоянии R от оси мм/с;

– виброскорость на опорном расстоянии R₀, мм/с;

n – показатель затухания, зависящий от технологии ведения работ и номенклатуры грунтов.

Для суглинков и закрытом способе ведения работ показатель затухания n в инженерной практике обычно принимают в диапазоне 1.1–1.6. Опорное расстояние принимается R0 = 10 м, для удобства сравнения показаний.

Преобразуем исходные данные в уравнение:

Глубина заложения принимается порядка 30 м, грунты- суглинки, расстояние до близлежащих фундаментов зданий порядка 20 м. Опорное расстояние для предварительной оценки принимается R0 = 10 м. Для более наглядной разницы изменения величины базовое расстояние устанавливается 10 м.

,

PPV(10) = 6 ⋅ 11.3,

PPV(10) = 6.

* В качестве опорного значения виброскорости принято значение PPV10 = 6 мм/с. Данное значение выбрано на основе анализа опубликованных данных и нормативных данных. Согласно источникам по результатам мониторинга, значение виброскорости при работе тоннелепроходческих комплексов в непосредственной близости от близлежащих зданий, как правило, не превышают 5–7 мм/с.

На расстоянии R =15 м:

,

PPV(15) = 6 ⋅ (0.67)1.3,

PPV(15) = 6 ⋅ 0.59 = 3,54 мм/с.

На расстоянии R = 20 м:

,

PPV(20) = 6 ⋅ (0.50)1.3,

PPV(20) = 6 ⋅ 0.41 = 2,46 мм/с.

На расстоянии R = 25 м:

,

PPV(25) = 6 ⋅ (0.40)1.3,

PPV(25) = 6 ⋅ 0.3 = 1,8 мм/с.

На основе полученных данных можно сделать вывод, что полученные значения виброскорости на расстояниях 15–25 м не превышают предельно допустимый уровень 5 мм/с, установленных нормативными документами. Данный вывод подтверждает допустимость применения щитовой проходки в условиях плотной городской застройки.

Данная зависимость используется для метода предварительного аналитического вердикта вибрационного воздействия на стадии обоснования проектных решений.

Метод не заменяет собой инструментальные измерения, однако, позволяет на раннем этапе сравнить варианты технологий строительства и сравнить их с нормативными требованиями.

6. Заключение

Комплексное применение технологии «пилот-тоннель» и пилонной конструктивной схемы при строительстве станции метрополитена глубокого заложения в условиях плотной городской застройки позволяет эффективно решать задачи минимизации влияния на окружающую инфраструктуру.

В рамках работы предложен аналитический подход к предварительной оценке вибрационного воздействия при щитовой проходке тоннелей, основанный на степенной зависимости затухания виброскороти с расстоянием. Установлено и показано, что при типовых условиях строительства станции глубокого заложения в суглинках расчет значения виброскорости на расстояниях более 15м, как правило, не превышают значений, установленных нормативными актами.

Пилонная схема станции обеспечивает поэтапное и управляемое выполнение работ, что особенно важно в условиях плотной застройки и насыщенности подземного пространства инженерными коммуникациями.