Проходка тоннеля ниже уровня грунтовых вод с использованием технологии «ОТКРЫТОГО ФРОНТА»

В данной статье представлен опыт Дании, где с помощью метода щитовой проходки был проложен сборный коллектор диаметром 2,2 м на глубине 8 - 10 м. Большая часть работы проводилась ниже уровня грунтовых вод с применением метода «открытого фронта», т.е. с использованием избыточного давления воздуха, подаваемого в грунт через лицевую часть щита для противодействия давлению грунтовой воды. Этим мероприятием предотвращалась возможность проникновения подземных вод в тоннель в период строительства.

Объем проложенных труб составляет порядка 2500 м3, обеспечивая поступление в коллектор примерно 95% объема транспортируемых вод, которые ранее сбрасывались необработанными непосредственно в реку Оденс. После проведения строительных работ число случаев затопления территорий вдоль трассы (см. рисунок 1) снизилось с 55 до 3 - 4 в год. Транспортируемая коллектором вода поступает к насосной станции и перекачивается на центральные городские канализационные очистные сооружения.

Рис. 1. План участка с трассой коллектора

Перед началом работ проводились геотехнические изыскания путем шурфования вдоль трассы. Полученные геологические карты свидетельствовали о наличии песка и гравия как доледникового, так и позднего ледникового периодов. При этом размер частиц колебался от мелкого илового песка до крупного галечного гравия. Уровень грунтовых вод находился в пределах 3 - 8 м от поверхности земли. Согласно проекту стартовый котлован располагался выше уровня грунтовых вод. Строительные работы проводились на глубине 6 - 10 м от поверхности земли, причем большая часть залежей мореной глины и песка находилась на глубине 5 - 7 м от уровня грунтовых вод. Специалистами предварительно рассматривались два альтернативных варианта строительства коллектора: микротоннелирования (закрытый фронт) и щитовой проходки с открытым фронтом и избыточным давлением. Микротоннелированию отводилась роль как менее приемлемому методу в мореных глинах, где разделение суспензии дорого и технически сложно осуществимо. Кроме того, не исключена вероятность залегания больших камней на трассе, которые повышают риск возникновения перебоев в работе микротоннелепроходческих щитов. В результате приоритет был отдан щитовой проходке с открытым фронтом с созданием избыточного давления спереди щита, как технически лучше адаптированному методу. К тому же, этот метод является экономически привлекательным по сравнению с другими. Избыточное давление позволяет использовать открытый фронт ниже уровня грунтовых вод и создает преимущество в том, что грунт может транспортироваться в твердом состоянии, а возможные препятствия, например крупные камни, могут быть удалены через открытую переднюю часть. При щитовой проходке с избыточным давлением воздуха в зоне около передней части щита величина давления должна поддерживается в зависимости от давления грунтовой воды. В рассматриваемом случае - 0,05 - 0,07 МПа. Таким образом, обеспечивается отсутствие грунтовой воды в забое щита, благодаря чему возможно извлечение грунта без проблем связанных с попаданием в извлекаемый грунт подземных вод. Избыточное давление поддерживается постоянной подачей сжатого воздуха в рабочую камеру щита. Принцип заключается в том, что подаваемый воздух проникает в грунт и увлекает за собой частицы воды, тем самым, создавая сухую зону около передней части устройства. Анализ экспериментальных геотехнических исследований позволил вычислить предполагаемый расход воздуха. Расчеты показали, что необходим расход воздуха порядка 8 - 12 м3/мин. Общий вид щита и принципиальная схема щитовой проходки с открытым фронтом и использованием сжатого воздуха показаны на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Тонелепроходческий щит с передней заглушкой

Рис. 3  Разрез тонелепроходческого щита с открытым фронтом и специального оборудования. 1-труба, 2-воздушный замок; 3-рабочая камера; 4 тоннелепроходческий щит; 5-дверь; 6-тележка для грунта; 7-транспортер (конвейер); 8-землеройное устройство

В связи с большим разнообразием почвенных условий, которые могут быть представлены глиной, мелким песком, галькой, камнями и т.д. необходимо быстрое реагирование управляющего механизма щита с изменением параметров давления и т.п. В один из моментов при проведении описываемых строительных работ в забой стало поступать большое количество воды и почвы в виде суспензии, которые начали затекать в переднюю часть тоннеля, где негативно влияли на работу конвейерного механизма. Для исключения этого явления, т.е. отгона воды, возникла необходимость увеличить пределы распространения воздушного замка путем дополнительного увеличения давления в передней части щита. Для достижения требуемого эффекта на короткое время давление воздуха было поднято с 0,07 до 0,11 МПа. Это мероприятие (инцидент отдувки) было краткосрочным, так как большие давления воздуха приводили к повышению уровня грунтовых вод в близко расположенных от трассы колодцах и ухудшения их качества. Было установлено также, что в тех местах, где преобладали глины и не было колодцев, воздух не мог выходить наружу из подземного пространства, так как глина служила в качестве непроницаемой мембраны. В данной ситуации воздух должен искать другие пути выхода, а результатом этого стало распространение повышенного давления в подземном пространстве на еще большей площади и еще большем расстоянии от тоннеля (рисунок 4). Таким образом, было установлено, что метод предполагает возможность поддержания воздушного давления даже вдали от щита в целях сохранения сухого подземного пространства. При последующих наблюдениях было зарегистрировано поднятие уровня воды в колодцах (скважинах) на расстоянии 30 - 40 м от фронта бурения. Предположительно причиной этого является то, что воздух может уйти через эти «отверстия в глиняных мембранах», тем самым концентрируя потоки.

Рис. 4. Иллюстрация процессов происходящих в случае наличия глиняной прослойки над трассой. 1-потоки воды и воздуха; 2-тоннелепроходческий щит; 3-избыточное давление; 4-колодец

После этого эпизода специалистами были сделаны соответствующие выводы для предотвращения подобных негативных ситуаций в будущем. Так, была проведена регистрация всех частных колодцев в районе с их непосредственным осмотром и обследованием инженерно-геологических скважин. В качестве меры предосторожности два колодца временно были заполнены песком, так как уровень воды в них из-за избыточного давления поднялся на 2 - 3 м. После реализации данного проекта разработаны специальные гидравлические крышки для проходческих щитов, которые могут закрыть переднюю часть в случае проникновения туда воды и грунта. С помощью этих крышек почва может быть сжата так, что необходимое давление воздуха станет возможно восстановить (см. рис. 2). В качестве вывода специалистами отмечалось следующее: важно всегда проводить тщательный анализ рисков перед осуществлением проекта щитовой проходки в обводненных условиях, относясь с достаточным вниманием к эффекту отдува. Во время проведения щитовой проходки в сложных условиях возрастает значимость предварительных инженерных изысканий и серьезное изучения ситуации на местности, которые сводят риски до минимума.

Статья подготовлена на основе материалов доклада P. Hallager, L. Jensen, H.Moller Tannelling below the groundwater table using open front technology (Дания, компании VSC Denmark, Aarsleff A/S и других)  на  29-й Международной конференции No-Dig 2011, Берлин.

Орлов В.А./Orlov V.A. доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, дом 26, 8(499)183-36-29, orlov950@yandex.ru

Крокунов Н.Е./Krokunov N.E. студент ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»