Промяна на напрегнатото състояние на почви чрез заздравяване, преди преминаване на тунелопробивна машина под сгради и съоръжения

Технологията за израждане на тунели с тунело-пробивна машина /ТПМ/ се е наложила като най-безопасна, но що се касае до гарантиране на минимални деформации и сигурността на сгради и съоръжения на повърхността, са налице множество случаи от практиката, при които се налага предприемането на допълнителни мерки за ограничаване на влиянието от промяната на напрегнатото състояние на масива в следствие изграждането на тунела. Една от възможните практики при подобни случаи е заздравяването на почвите, като поради относително ниските цени, най-приемливо е инжектирането с циментов разтвор.

В публикацията се използват реални данни от работния проект на Софийски метрополитен за изграждането на ТПМ-тунел от II-ри метродиаметър от км 4+140 до км 7+910 и конкретно участъка между км 6+130 и км 6+170, където тунелопробивната машина преминава под Лъвов мост.

Участъкът не е избран случайно, тъй като там машината преминава на по-малко от 2 метра от дъното на Владайска река и буквално на сантиметри от фундаментите на моста.

Поради факта, че моста е историческа забележителност от XIX век, както и поради това, че в тази зона тунелният изкоп посредством щит S-525 EPB (с противоналягане в забойната камера) се изпълнява с много малко покритие и в голяма близост до фундаментите на моста е от изключителна важност да се изчислят възможните слягания, причинени от прокопаването на тунела и тяхното влияние върху конструкцията на Лъвов мост, както и да се определи вида на третирането на почвата с цел намаляване влиянието им и осигуряване на безопасно преминаване на тунелното съоръжение под Владайска река.
Геотехнически параметри в района на Лъвов мост

От геоложкия разрез в района на моста (фиг. 1) са определени 3 основни пласта, както следва:

• 
  пласт № 1 - от повърхността (приблизителна кота 537.4 m) до приблизителна кота 532.3. Съвременен насип, състоящ се от чакъл с пясъчен запълнител, прахови глини с чакълени включения и строителни отпадъци (бетон, тухли);
  
• 
  пласт № 3 - От ниво 532.3 m до ново 528.3 m прибл. Кватернерни чакъли - дребни до средни чакъли, скални почви и кафяви до жълто кафяви запълнители или понякога пълнител от заглинени пясъци. Долната граница на пласт 3 е разположена на дълбочина 4.5 m от коритото на реката (средно на 532.8 m), т.е. на ниво 528.3 m; между 528.8 и 528.3 m. свързващият материал на пласт 3 става по-глинест. Този факт е показателен за зони, в които последователно се редуват кватернерни чакъли и по-ниско заложени фини седиментни плиоценски образувания.
  
• 
  пласт № 7 - под прибл. ниво 528.3 m: Плиоценски отложения - тъмно зелени до маслено зелени прахови глини (средно съдържание на глина между 35% и 40%), високо пластични с високо съдържание на вода (естествено водно съдържание между 35.5% и 62.4%).
  

Изчисленията за сляганията са направени с помощта на Plaxis 8.1, програмен продукт, ориентиран към решаване на тунелни проблеми, който е базиран на Метода на крайните елементи (МКЕ).

С цел да се оцени ефекта от преминаването на ТПМ под моста и да се пресметнат предизвиканите слягания са изготвени 2 модела:

- Модел А – показва изграждането на тунела в реалните геотехнически условия в зоната на моста

- Модел Б – има същата геометрия, но характеристиките на почвата са подобрени, вследствие извършване на заздравяване на почвата и по-точно инжектиране с циментов разтвор на пласта от квартерни чакъли, в който попадат фундментите на моста и короната на тунела.
Геометрия на моделите

Моделираната ситуация (Фиг. 2) отговаря на условията при северния фундамент на моста. Там напредъка на ТПМ има максимален ексцентрецитет по отношение на фундаментите, поради което именно там се очакват най-лошите условия на влияние.

Параметрите на тунелната крепежна конструкция (диаметър на тунела 9.5 m и дебелина на сегментите 32 сm), използвани в изчисленията са показани в Таблица 2:

Фундаментите на моста представляват каменна зидария, параметрите на която са показани в Таблица 3. Общото тегло на Лъвов мост е 23 140 kN, С цел да се отчете теглото върху фундаментите е приложен верти­кален товар.
Таблица 2.

Параметри на тунелната крепежна конструкция

Дебелина сегмент	0,32 m
Модул на еластичност E	35000 MPa
Коефициент на Поасон Поасонicient	0,2
Осова коравина EA	11200 MN/m
Огъвателна коравина	62,65 MN*m2/m
Тегло	8 kN/m

Таблица 3.

Изчислителните фази са еднакви и за двата модела.

Фаза 1 - деактивиране на централната част на почвените елементи на модела до речното легло с цел да се отчете наличието на река Владайска.

Фаза 2 - строителството на Лъвов мост се определя от съответстващите елементи на фундаментите на моста и от активиране на повърхностните товари върху фунда­ментите.

Фаза 3 - възстановяването до 0 на земното изместване в резултат на действието на фази 1 и 2, с цел да се изчисли слягането влияещо върху тунела в последващите изчис­лителни фази, активиране на тунелната облицовка, деактивиране на земните пластове в контура на тунела (Фиг.3).
Резултати от изчисленията
Модел А

От резултатите, получени от Модел А е отчетено, че максималното слягане е 7.8 mm (фиг. 4). Въпреки че стойността на предвидените деформации не е голяма, важно е да се отбележи, че тъй като моста е построен през 1891 г. и поради вероятното разместване на пластовете под него, не може да се прогнозира стойността на деформациите, които биха повлиали на неговата конструкция.

Поради тази причина за да се избегне всякакво бъдещо напрягане на моста, сляганията (и последващите ъглови деформации) предизвикани от прокопаването по метода с противоналягане на тунела под моста, трябва да бъдат максимално ограничени, като се изпълни подобрение (заздравяване) на почвата.

Вследствие горецитираните причини Пласт 3 (силнопропускливи квартерни чакъли) е инжектиран с циментов разтвор, преди преминаване на машината.

Инжектирането с циментов разтвор има за цел да формира под фундаментите твърд и заздравен блок от чакъли (подобен на плоча), което ще намали сляганията на моста.

В действителност пласта от чакъли, намиращ се над свода на тунела, се характеризира с висока пропускливост (К = 8.10*10-5 m/sec). Инжектирането с циментов разтвор намалява пропускливостта на чакъла и гарантира приложеното налягане на челото на пробивната машина.

Геотехническите параметри, приети за елементите на инжектирания чакъл са определени експериментално и отговарят на материали от чакълест тип, инжектирани с циментов разтвор, като приемаме че имат характерис­тиките на слаба скала.

За определяне на напрегнатото състояние на масива в Модел Б, характеристиките на средния пласт от квартерни чакъли са заменени с нови – показани в Таблица 4.

Фазите за изчисление на Модел Б са същите като при Модел А. От получените резултати е видно, че максималната стойност на получените деформации е по-малка от 5 mm – в сравнение с почти 8 mm при Модел А. (фиг. 5) За по-голяма пълнота на изследването и постигане на по-голям ефект следва да се проучи влиянието на геометричните параметри на заздравения почвен масив и възможните технически решения за образуване на защитни конструкции от тях.

От направеното обследване е видно, че при изграждането на тунел в непосредствена близост до сгради и съоръжения, които са на сериозна възраст и в не добро конструктивно състояние, мероприятие като заздравяване на почвата посредством инжектиране на циментов разтвор може да доведе до почти двойно намаляване на деформациите.

Mechanised Shield Tunnelling - Bernhard Maidl, Martin Herrenknecht, Ulrich Maidl and Gerhard Wehrmeyer, Verlag Ernst and Sohn 2011, Berlin, Germany.