Проходка тоннелей в неустойчивых обводненных грунтах без кессона

Сооружение тоннелей в толще водонасыщенных неустойчивых грунтов, как, например, на переходных участках от глубокого заложения к мелкому или при прохождении трассы под реками и в зонах размывов, связано с необходимостью решения комплекса весьма сложных проблем. В подобных случаях проходка тоннелей возможна лишь при использовании различных специальных мероприятий, обеспечивающих повышение устойчивости грунтов либо путем их осушения (искусственное водопонижение, кессонная проходка), либо за счет изменения их физико-механических свойств (химическое закрепление, искусственное замораживание и т. п.).

В практике отечественного метростроения при сооружении тоннелей в сложных гидрогеологических условиях нередко применяется кессонный способ проходки. Обычно его используют как крайнюю меру на участках, где неосуществимо водопонижение, а плотная городская застройка исключает возможность массового бурения скважин для искусственного замораживания массива грунтов в зоне проходки.

Кессонная проходка широко применялась при строительстве метрополитенов в Москве, Ленинграде, Киеве, Баку, Харькове, а также во многих городах за рубежом. Однако не случайно этот способ проходки рассматривается лишь в последнюю очередь, как наименее приемлемый. Ведь в призабойной зоне приходится создавать избыточное воздушное давление для отжатия воды и осушения грунта, а работа в забое с повышенным давлением неблагоприятно влияет на организм человека. Кессонные работы, особенно при значительном давлении, характеризуются низкой производительностью труда вследствие большой утомляемости работающих в зоне сжатого воздуха, а та клее из-за неизбежных непроизводительных потерь рабочего времени на шлюзование. Повышенное содержание кислорода в атмосфере кессона создает пожароопасность.

Кессонную проходку начали применять еще на первой очереди строительства Московского метрополитена, в случаях, когда другие способы проходки оказывались неприемлемыми. Кессонный способ был принят строителями для проходки не только шахтных стволов, но и перегонных тоннелей. В частности, на участке между станциями «Комсомольская» — «Красные ворота» кессонная проходка велась в вертикальном (опускание секций тоннеля длиной 25 м) и горизонтальном направлениях. Почти одновременно кессонным способом сооружали переходную камеру на перегоне «Охотный ряд» — «Библиотека имени Ленина» и щитовую камеру на перегоне «Охотный ряд» — «Дзержинская».

Успешное применение кессонного способа ппохолки на строительстве первой очереди Московского метрополитена повлекло за собой его использование в весьма сложных гидрогеологических условиях при сооружении линий следующих очередей. С каждым годом кессонная проходка совершенствовалась — после возведения первой очереди Московского метрополитена тоннели сооружали только с применением щита. Отрабатывались трудоемкие процессы и технология, увеличивались скорости проходки. Опыт не проходил бесследно — проектировщики и строители вели непрерывный поиск технических решений, которые могли бы частично или полностью исключить применение сжатого воздуха при строительстве первой очереди Московского метрополитена.

Были начаты опытные работы по замораживанию грунтов, причем объемы таких работ интенсивно нарастали. Но масштабы применения кессонного способа на второй очереди строительства Московского метрополитена по сравнению с первой очередью оставались прежними. Продолжались настойчивые поиски улучшения условий труда при кессонной проходке. Так, при проходке тоннелей на перегоне «Ленинские горы» — «Университет» было осуществлено лишь незначительное повышение давления воздуха в кессоне для осушения грунта в нижней части забоя. Эта, казалось бы, небольшая модификация привела к улучшению условий труда в забое, позволила повысить производительность, а также скорость проходки, которая в ноябре 1958 г. достигла 173 пог. м. Такую скорость кессонной проходки следует считать выдающимся достижением в практике сооружения тоннелей метрополитена.

Однако недостатки способа требовали поисков новых методов, изыскания более эффективных и безопасных способов проходки. Первым опытом в этом направлении была проходка тоннелей на переходном участке перегона «Баррикадная» — «Улица 1905 года», который сооружался в 1971—1972 гг. (начальник СМУ В. 3. Замалдинов, главный инженер П. С. Исаев, ныне главный инженер Управления Мосметростроя). Сущность нового технического решения, разработанного институтом Мет-рогипротранс, состояла в том, что водонасыщенный грунтовый массив с низкой водоотдачей, в котором предстояло пройти тоннели, был оконтурен по длине и с торцов льдогрунтовыми стенами, заглубленными до подстилающего водоупора. Оконтуренный массив осушали путем откачки из него грунтовой воды, после чего вели проходку тоннелей. Эффективность нового технического решения подтвердилась, однако проектировщиков и строителей не удовлетворяло то, что после осушения грунтового массива обычными средствами на водоупоре оставалась достаточно мощная толща обводненного грунта, создававшая трудности при проходке тоннелей.

В 1973 г. улучшенное техническое решение было применено при проходке перегонных тоннелей между станциями «Щукинская» и «Тушинская», где на подходах к каналу имени Москвы для обеспечения надежной проходки было выполнено с поверхности контурное замораживание водоносных песков с созданием льдогрунтовых стен. Последние разделили зону проходки на ряд отсеков, внутри которых устраивались водопонизительные скважины для откачки воды и осушения грунта.

Режим откачки воды был типичным для ограниченного по площади водоносного пласта — через короткое время после включения насоса дебит скважины уменьшался в десятки раз. Быстрое формирование депрессионной воронки в отсеке сопровождалось уменьшением зоны вы-сачивания у фильтра, что и вызывало резкое сокращение притока воды в скважину. Поэтому откачку из отсека приходилось вести в пульсирующем режиме: откачка — восстановление уровня — откачка и т. д.

Несмотря на то что откачка проводилась из песков с хорошей водоотдачей, пульсирующий режим определил значительный срок производства этих работ — около 20— 30 суток. Однако полного осушения отсека осуществить не удалось, и высота остаточного столба воды на водо-упоре составила 2—3 м, что вызвало дополнительные трудности при горных работах. Для откачки воды с помощью описанной технологии из супесей, глинистых песков и других грунтов с низкой водопроницаемостью понадобилось бы несколько месяцев.

Требовалось дальнейшее совершенствование-метода с целью уменьшения остаточного слоя воды на водоупоре. Группа проектировщиков и строителей в составе инженеров Е. А. Василенко, Ю. А. Кошелева, В. А. Алихашки-на, П. А. Васюкова, И. Е. Василенко, А. А. Абросова, Н. Г. Сазонова, Г. В. Молодцова и В. В. Сидорцева нашла необходимое решение. В 1976—1977 гг. оно было внедрено при строительстве Рижского радиуса на перегоне «ВДНХ» — «Ботанический сад».

Участок выхода перегонных тоннелей с глубокого заложения на мелкое оказался весьма сложным в инженерно-геологическом отношении. Сооружение тоннелей предстояло вести в массиве со сложным чередованием суглинков, водоносных песков и супесей, а также под руслом реки Яузы. Так как взаимное расположение водоупорных и водоносных грунтов было крайне неблагоприятным, а водоносные грунты имели очень низкую водопроницаемость, осушить массив в зоне проходки существующими средствами водопонижения было практически невозможно. Б подобных условиях могли быть осуществлены только кессонная проходка, при которой для отжатия воды от забоя следовало создать давление сжатого воздуха до 3 ати, либо сплошное искусственное замораживание массива грунтов.

В первоначальном проекте на этом участке на протяжении 710 м предусматривалось применение кессонной проходки с частичным водопонижением, что позволило бы снизить давление сжатого воздуха в кессоне до 2 ати. На подходах и под руслом реки у/узы на отрезке длиной 270 м, где отсутствовал верхний воздухоупорный слой, было запроектировано создание сплошного искусственно замороженного массива. Однако на стадии рабочего проекта проектировщики и строители разработали новые технические решения, осуществили дополнительные проработки и расчеты, благодаря чему удалось успешно соорудить перегонные тоннели без применения кессона и сплошного замораживания массива. На основе более детальных инженерно-геологических изысканий и опытных работ по водопонижению было предложено изменить трассу перегонных тоннелей в профиле, за счет чего длину переходного участка, где было решено применить новый способ проходки, удалось сократить до 312 м.

Сущность способа состоит в том, что с целью повышения эффективности осушения грунтового массива его герметизируют со всех сторон вокруг тоннеля. Затем в верхнюю его часть непрерывно подают сжатый воздух и при этом ведут откачку грунтовой воды из нижней части массива. Отличительной особенностью способа является также и то, что герметизация массива достигается либо путем создания льдогрунтовой оболочки, либо благодаря использованию водоупорных естественных слоев.

На первом этапе реализации нового способа на Рижском радиусе Московского метрополитена участок длиной 312 м разделили на 10 примерно одинаковых по размерам зон. 11о контуру каждой из них создали льдогрунтовую стену. С этой целью бурили скважины с заглублением в водоупорные слои ниже тоннелей. Скважины оборудовали колонками для проведения искусственного замораживания грунтов. Таким образом, по трассе создавался ряд «герметичных» отсеков, внутри которых должны были сооружаться перегонные тоннели.

Первые пять отсеков представляли собой искусственные короба с льдогрунтовыми стенами, верхним воздухоупорным перекрытием в виде моренных суглинков и днищем в виде юрских глин или также моренных суглинков. В следующих пяти отсеках, где естественный верхний воздухоупорный слой отсутствовал, устраивалось искусственное перекрытие в виде льдогрунтовой плиты. Для этого по всей площади отсеков с поверхности бурили короткие, с заглублением на 2 м ниже уровня грунтовых вод, замораживающие скважины. В десятом отсеке, расположенном под рекой Яузой, замораживающие скважины бурили с временного моста, передвигавшегося вдоль русла реки.

Второй этап работы заключался в создании благоприятных условий для проходки тоннелей внутри отсеков, т. е. в осушении грунтов, которые имели преимущественно низкую водопроницаемость. При использовании обычных приемов откачки осушение подобных грунтов потребовало бы немало времени. Кроме того, оставался бы неосушенным слой грунтов над водоупором — так называемый остаточный столб воды, при наличии которого проходка была бы затруднена и небезопасна, особенно в момент выхода щита из юрских глин в вышележащие обводненные супеси.

Поскольку водопроницаемость пород внутри отсеков повышать практически невозможно, требовалось искусственно увеличить скорость фильтрации грунтовых вод. Найденное решение заключалось в том, чтобы откачивать воду из отсека с одновременной подачей в осушаемый пласт сжатого воздуха для ускорения процесса осушения. С этой целью каждый отсек оборудовался водопонизительными и воздухоподающими скважинами. Количество тех и других назначалось исходя из конкретных гидрогеологических условий отсека.

Бодопонизительные скважины предназначались для откачки воды из отсека, воздухоподающие — для подачи сжатого воздуха в осушаемый пласт с целью ускорения процесса осушения. Нагнетаемый через воздухоподающие скважины в отсек сжатый воздух создает повышенное пластовое давление, газирует воду в зоне скважин и образует газожидкостную смесь. Воздух частично растворяется в воде, а также находится в смеси в виде мельчайших газовых пузырьков, которые увеличивают упругость смеси и повышают активность ее перемещения.

Нагнетание воздуха в отсек не только интенсифицировало откачку воды, но и стабилизировало работу водопонизительных скважин. После подачи в отсек сжатого воздуха продолжительность работы насосов со стабильным расходом воды увеличивалась в 5—10 раз. Без подачи сжатого воздуха поступление воды в водопонизительные скважины практически прекращалось через 10—12 ч. В таком случае для полного осушения отсека потребовалось бы провести 20—25 циклов откачки и понадобилось бы 25—30 суток. Подача сжатого воздуха способствовала установлению такого режима работы скважин, который позволял осушить отсек в один прием за 5—6 суток. Не менее важно, что этот способ позволил исключить сплошное замораживание массива грунтов на подходах в реке Яузе и под ее руслом, значительно сократить объем замораживания на всем участке и улучшить благодаря этому условия труда проходчиков.

В период освоения нового способа на Рижском радиусе Московского метрополитена был не только накоплен практический опыт сооружения перегонных тоннелей в обводненных несвязных грунтах без применения сжатого воздуха, но и доказана большая перспективность этого способа при строительстве как метрополитенов, так и других подземных сооружений. По существу, участок внедрения нового способа был превращен в производственную лабораторию, усилиями которой (при участии проектировщиков и строителей) способ был полностью отработан и подготовлен к применению его на других радиусах строительства метрополитена.

Успешное использование способа позволило принять решение о его применении и на переходном участке Калининского радиуса Московского метрополитена, между станциями «Шоссе Энтузиастов» и «Перово». В пределах этого перегона тоннели выходят с глубокого заложения из толщи юрских глин на мелкое, в пласты водоносных песков и моренных суглинков.

В соответствии с техническим проектом тоннели переходного участка на длине 905 м предполагалось сооружать в кессоне при давлении сжатого воздуха до 2 ати. Для ведения горнопроходческих работ в двух забоях с применением сжатого воздуха требовалось около 350 человек. Пересмотр проекта начали с изменения трассы, с тем чтобы вывести тоннели из зоны плотной застройки и густой сети подземных коммуникаций. Хотя новый вариант по сравнению с первоначальным предусматривал удлинение трассы на 340 м, однако тоннели переходного участка в плане удалось разместить вдоль проезжей части Зеленого проспекта, свободного от городской застройки. Это обеспечило нормальные условия для выполнения всего комплекса буровых работ, необходимых для герметизации грунтовых массивов по трассе отдельными отсеками.

Переходный участок длиной 445 м был разделен на 14 отсеков примерно равной длины. По каждой из сторон отсеков с целью их «герметизации» создавались льдогрунтовые стены, для чего по контуру бурились замораживающие скважины с заглублением в водоупорный слой на 3 м. Роль верхнего воздухоупорного слоя на всей длине участка выполняли коренные суглинки мощностью от 4 до 8 м. Продолжительность «герметизации» одного отсека составляла 50—55 суток.

Объем воды в грунте каждого отсека участка Калининского радиуса по сравнению с участком Рижского радиуса был в 2—3 раза больше и составлял от 1,25 тыс. м³ до 3,6 тыс. м³. Осушение каждого отсека производилось путем откачки грунтовых вод из трех водопонизительных скважин, оборудованных глубинными насосами типа ЭЦВ-6. Один отсек осушали за 12—15 суток при среднем дебите водопонизительной скважины от 8 до 12 м³/ч.

Опыт внедрения нового способа сооружения тоннелей в обводненных неустойчивых грунтах на переходном участке Рижского радиуса позволил учесть в рабочих чертежах переходного участка Калининского радиуса некоторые дополнительные мероприятия, направленные на повышение эффективности способа. Так, воздухоподающие скважины были заглублены до водоупора и снабжены фильтрами, расположенными в нижних частях колонок. Это обеспечивало насыщение грунтового массива воздухом по всей его высоте через обсыпку вокруг скважин. Такой режим насыщения массива воздухом особенно необходим в тех случаях, когда обводненная часть массива перемежается пластами супесей с низкой и весьма низкой водоотдачей, что может вызвать пульсирующий режим работы насосов, большое количество их остановок и включений.

Герметичные перекрытия в устьях водопонизительных скважин были снабжены устройствами для регулируемого выпуска воздуха из отсеков при откачке из них воды. Поданный в отсек сжатый воздух, насыщая грунтовый массив, двигался в сторону наименьшего сопротивления — к водопонизительной скважине — и по кольцевому зазору между фильтровой трубой и водоотливным ставом через регулятор расхода стравливался в атмосферу, создавая в осушаемом массиве перепад давления между воздухоподающей и водопонижающей скважинами.

В местах пересечения замораживающими контурами подземных коммуникаций, в том числе размещенных в коллекторах с большими поперечными сечениями, по-новому был решен вопрос расположения вблизи них замораживающих колонок при расстоянии между ними в ряду 3 м и более. Сооружение тоннелей на этом перегоне велось четырьмя обычными щитами навстречу один другому, к первому отсеку — на подъем и к четырнадцатому — под уклон.

Опыт использования нового способа проходки неустойчивых обводненных грунтов показал его высокую эффективность. Главное преимущество способа состоит в том, что условия труда людей, находящихся в забое, безопасны и безвредны, в отличие от условий труда при кессонной проходке.

Таким образом, опыт проектирования и результаты внедрения нового способа на эксплуатируемых Рижском и Калининском радиусах, а также на строящихся Серпуховском и Замоскворецком радиусах Московского метрополитена позволяют сделать важные выводы о возможности исключения из практики тоннелестроения не только кессонной проходки, но и сплошного замораживания во всех случаях, когда условия городской застройки позволяют выполнить бурение скважин с поверхности для герметизации грунтового массива льдогрунтовыми стенами, откачки воды из него с одновременным нагнетанием сжатого воздуха при необходимом контроле за операциями замораживания и осушения.