Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогноз напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей проходческими комплексами с пригрузом забоя

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогноз напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей проходческими комплексами с пригрузом забоя"

005061846

На правах рукописи СУПРУН Игорь Константинович

ПРОГНОЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛКИ И ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ ПРОХОДЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ С ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ

Специальность 25.00.20 —

Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

005061846

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреэвдении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Протосеня Анатолий Григорьевич

Официальные оппоненты:

Господариков Александр Петрович доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра высшей математики, профессор

Козин Евгений Германович кандидат технических наук, Санкт-Петербургское государственное унитарное предприятие «Петербургский метрополитен», первый заместитель начальника метрополитена

Ведущая организация - ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс».

Защита состоится 28 июня 2013 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 28 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Строительство метрополитенов является одним из основных способов решения транспортных проблем в мегаполисах. Использование метрополитенов позволяет разгрузить наземные транспортные потоки и часто является единственным способом повышения пропускной способности районов, где строительство дополнительных поверхностных и приповерхностных транспортных коммуникаций невозможно или нецелесообразно.

Строительство перегонных тоннелей в условиях плотной городской застройки может приводить к недопустимым оседаниям земной поверхности и даже к разрушению зданий над подземными объектами. В современных рыночных условиях восстановление поврежденных зданий требует значительных финансовых затрат. Проблема обостряется, когда в зону влияния строительства тоннелей, особенно в центральных районах городов, попадают здания, являющиеся памятниками архитектуры.

Разработке методик расчета параметров конструкций подземных сооружений посвящены научные работы И.В. Бакла-шова, Н.С. Булычёва, И.С. Бубмана, Б.А. Картозии, Е.И. Кашина, Е.Г. Козина, A.A. Козырева, М.В. Корнилова, В.Е. Меркина,

A.Г. Протосени, H.H. Фотиевой, Ю.С. Фролова и других исследователей.

Исследованием геомеханических процессов при строительстве тоннелей с пригрузом забоя занимались отечественные ученые К.П. Безродный, H.A. Беляков, С.Н. Власов, В.А. Гарбер, Е.А. Де-мешко, М.А. Карасёв, A.A. Кашко, М.О. Лебедев, Д.В. Панфилов,

B.П. Самойлов, В.В. Чеботаев и зарубежные ученые, такие как Р. Attewell, W. Broere, L. Langmaak и др.

Перспективным направлением освоения подземного пространства мегаполисов является создание и использование малоосадочных технологий строительства подземных сооружений, базирующихся на комплексном учете геомеханических процессов, которые протекают в системе «обделка - проходческий комплекс -грунтовый массив».

При строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях с помощью специализированных тоннеле-

проходческих механизированных комплексов (ТПМК) с пригрузом забоя наблюдается значительное снижение оседания земной поверхности.

На сегодняшний день методы прогноза оседания земной поверхности, величины пригруза и геомеханических процессов в обделке тоннелей и грунтовом массиве при использовании ТПМК разработаны не в полном объеме.

Современным способом определения напряженно-деформированного состояния обделок и вмещающего их грунтового массива, а также оседания земной поверхности является численное моделирование. Оно выполняется на основе разрабатываемых плоских и пространственных геомеханических моделей с учетом особенностей инженерно-геологических условий, плотности застройки и порядка ведения горно-проходческих работ.

На основе вышеизложенного, прогноз напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей с пригрузом забоя, проводимых в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Повышение безопасности горнопроходческих работ и обеспечение минимального оседания земной поверхности при строительстве подземных сооружений в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях с использованием специализированных ТПМК.

Идея работы. Уменьшение оседания земной поверхности достигается за счет подбора величины пригруза забоя ТПМК в зависимости от инженерно-геологических и градостроительных условий по трассе строительства тоннеля.

Основные задачи исследований:

- анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя;

- создание плоских и пространственных геомеханических моделей напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей и грунтового массива при строительстве ТПМК с пригрузом забоя;

- численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива в сложных инженерно-

геологических и градостроительных условиях для перегонных тоннелей глубокого и мелкого заложения;

- сопоставление результатов численных экспериментов с результатами натурных наблюдений за оседаниями грунтового массива, земной поверхности и напряжениями в обделке тоннелей.

Методы исследований. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива методом конечных элементов; натурные наблюдения за состоянием конструкций перегонных тоннелей и характером формирования нагрузки на обделку, оседанием земной поверхности, смещением грунтового массива и напряжениями в обделке; сравнение результатов численного моделирования с натурными наблюдениями.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- установлены закономерности изменения оседания земной поверхности в зависимости от величины пригруза забоя, прочностных и деформационных характеристик грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей с использованием ТПМК;

- выявлены закономерности напряженно-деформированного состояния обделки при строительстве перегонных тоннелей по технологии с пригрузом забоя.

Основные защищаемые положения:

1. Необходимая величина пригруза забоя при строительстве тоннелей специализированными тоннелепроходческими механизированными комплексами определяется решением пространственной упруго - пластической задачи взаимодействия системы «обделка -проходческий комплекс - грунтовый массив».

2. Оседания земной поверхности по трассе строительства тоннелей определяются взаимодействием системы «обделка -проходческий комплекс - грунтовый массив», прочностными и деформационными характеристиками грунтового массива, глубиной заложения тоннелей и их геометрическими размерами.

3. Прогноз напряженно-деформированного состояния грунтового массива и обделки двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения должен учитывать его взаимодействие с земной поверхностью, а на стадии эксплуатации - влияние бетонного основания в нижней части тоннеля.

Практическая значимость работы:

- разработан метод расчета величины пригруза забоя при строительстве перегонных тоннелей ТПМК в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях;

- разработан метод расчета напряженного состояния обделки перегонных тоннелей с учетом их контактного взаимодействия с грунтовым массивом;

- разработан экспериментально-аналитический метод прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современного численного метода решения геомеханических задач - метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ЯтиПа АЬациэ; согласованностью результатов численных экспериментов с данными натурных исследований и с результатами, полученными с применением аналитических методик.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях: Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» в Горном университете (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); Международной конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, г.Краков, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» в Воркутинском горном институте (г. Воркута, 2010 и 2013 гг.); 62-ой Международной научной конференции в Фрайбергской горной академии (Германия, г.Фрайберг, 2011г.); на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях «НИТ-2011» в Рязанском государственном радиотехническом университете (г.Рязань, 2011г.); на XIII Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ -2012» в Ухтинском государственном техническом университете (г. Ухта, 2012 г.).

Личный вклад автора заключается: в постановке задач численного моделирования; в разработке геомеханических моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке методики прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя; в сопоставлении результатов численных экспериментов с данными натурных наблюдений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 2 статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста. Состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования, включает 66 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведены данные об инженерно-геологических и гидрогеологических особенностях подземного пространства Санкт-Петербурга. Выполнен анализ методов определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг тоннелей и их обделок, в том числе при строительстве ТПМК с пригрузом забоя.

В главе 2 разработаны методы прогноза смещений грунтового массива и напряженно-деформированного состояния обделки перегонных тоннелей при строительстве ТПМК с пригрузом забоя. Выполнено моделирование перегонного тоннеля в объемной постановке методом конечных элементов.

В главе 3 разработана методика расчета напряженного состояния конструкций перегонных тоннелей мелкого заложения с учетом их контактного взаимодействия с грунтовым массивом. Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния обделки тоннеля на период его эксплуатации.

В главе 4 даны рекомендации по выбору толщины обделки двухпутного перегонного тоннеля. Разработан экспериментально-аналитический метод прогноза оседания земной поверхности. Сопоставлены результаты теоретических исследований и натурных наблюдений.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Необходимая величина нригруза забоя при строительстве тоннелей специализированными тоннелепроходческими механизированными комплексами определяется решением пространственной упруго-пластической задачи взаимодействия системы «обделка-проходческий комплекс-грунтовый массив».

Строительство подземных сооружений в Санкт-Петербурге осуществляется в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях. На напряженное состояние и устойчивость перегонных тоннелей, проводимых в толще четвертичных отложений слабых в строительном отношении грунтов (текучих супесей и пылеватых водонасыщенных песков), обладающих плывунными свойствами, оказывают влияние прочностные и деформационные свойства грунтового массива, величина и закономерности распределения нагрузок, характер их взаимодействия с окружающим массивом.

Наибольшие трудности вызывает строительство тоннелей на участках пересечения палеодолин, заполненных слабыми неустойчивыми грунтами от мелкого песка до ила. Примером такой палеодолины является участок «Размыв» между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена.

Преимуществом технологии строительства с применением ТПМК является возможность обеспечения устойчивости забоя в процессе строительства за счет постоянного действия пригруза.

При правильном выборе величины пригруза можно добиться максимальной компенсации смещений плоскости забоя внутрь выработки, что позволит избежать критического оседания земной поверхности и обеспечить малоосадочную технологию строительства.

Для исследования влияния величины пригруза забоя на напряженно-деформированное состояние (НДС) массива была разработана математическая модель участка грунтового массива, вмещающего перегонный тоннель с обделкой и ТПМК в забое.

Незакрепленный участок тоннеля и плоскость забоя подвергались пригрузу с различной величиной давления. Моделирование пригруза выполнялось равномерно распределенной нагрузкой, приложенной к плоскости забоя и стенкам тоннеля на участке между этой плоскостью и оболочкой ТПМК. Элемент расчетной схемы представлен на рисунке 1.

Для решения пространственной задачи использовался метод конечных элементов. Моделирование выполнялось с использованием лицензионного программного продукта 8іши1іа АЬаяиэ. Фрагмент конечно-элементной модели представлен на рисунке 2.

На рисунке 3 приведены закономерности деформирования грунтового массива впереди забоя перегонного тоннеля.

При выполнении математического моделирования величина пригруза забоя принималась в интервале ^ = 0,1 1 МПа. Она представлена в долях: уН (у - удельный вес грунта, кН/м3; II- глубина заложения тоннеля, м).

По результатам моделирования получены зависимости вертикального смещения земной поверхности и продольных смещений плоскости забоя от величины пригруза забоя. По заданному допустимому вертикальному смещению земной поверхности можно определить продольное смещение плоскости забоя внутрь тоннеля и необходимую величину пригруза забоя (рисунок 4).

Из зависимости, представленной на рисунке 4, видно, что оседание земной поверхности меньше предельно допустимого значения достигается только при величине пригруза 0,36уН. При этом продольные смещения плоскости забоя внутрь тоннеля составляют 280 мм.

Достижение малоосадочной технологии возможно при величине пригруза 0,38 0,4уН.

При величине пригруза более 0,41 уН на поверхности будет наблюдаться выпирание грунта, что является крайне нежелательным явлением.

В связи с поставленной задачей Правительства г. Санкт-Петербурга по снижению стоимости строительства метрополитена, в

настоящее время разрабатывается проект строительства двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения на юге города.

В зарубежных странах (США, Венгрия, Германия, Испания, Франция и др.) для решения аналогичных задач метростроения также получило распространение строительство двухпутных перегонных тоннелей.

На рисунке 5 представлена схема расположения тоннельных сооружений Фрунзенского радиуса от станции «Проспект Славы» до станции «Южная» Санкт-Петербургского метрополитена. На рисунке 6 представлено сечение двухпутного перегонного тоннеля.

В работе выполнено численное моделирование НДС обделки двухпутного перегонного тоннеля и грунтового массива и по его результатам построены зависимости вертикальных смещений земной поверхности от величины пригруза забоя при различных прочностных характеристиках грунтового массива (рисунок 7).

Из полученных зависимостей следует, что на устойчивость забоя тоннеля большее влияние оказывает величина угла внутреннего трения грунтового массива по сравнению с величиной его сцепления.

Наибольшие изменения величины оседания земной поверхности происходят для малых значений пригруза (0,025-0,\5уН).

При величине пригруза более 0,2уН сцепление практически перестает влиять на величину оседания земной поверхности.

Для поддержания забоя от обрушения требуется создать незначительный пригруз (0,15-0,25уН) по отношению к величине вертикальной составляющей геостатического поля напряжений.

Однако, применение такой величины пригруза не обеспечит малоосадочную технологию строительства, необходимую для конкретных сложных инженерно-геологических и градостроительных условий.

Таким образом, в условиях плотной городской застройки, для обеспечения минимального оседания земной поверхности необходимо создание большего по величине пригруза (0,25-0,35у//).

г а 1Л

Ли.

к

я

V

\

Рисунок 1 - Элемент расчетной схемы

Рисунок 3 - Закономерности пластического деформирования грунтового массива впереди забоя а) потеря устойчивости лба забоя, свободного от пригруза; б) конфигурация зоны неупругих деформаций с пригрузом забоя

135

Р 105 и О

І

90

ей О

С 75 и

5 бо £

§ 45

ё ж

со

30

15 1

о

• 15

\ . ...........ЛІ_______ Г "І

\\

\

\

]-- \ -

ч

------, 1 ^ —■ ^ __ ___

г т з о, _ * 0, 1 —- 5 0,6

22 50

2000

2

1750 2

«

О

ю

1500 яз м

я

ю

1250 ч

X

1000 И

и

•г.

и

750 ч>

о

X

л

500 Щ О

ц

280 о а.

250 С

• 250

Рисунок 2 - Фрагмент конечно-элементной модели

Величина пригруза забоя, уН

Рисунок 4 - Графическая зависимость вертикального смещения земной поверхности (1) и продольного смещения лба забоя (2) от величины пригруза забоя

ст. "Южная"

ст. "Дунайский проспект"

ст. "Проспект Слабы"

Г

Открытый способ работ

- Закрытый способ работ (щитовая проходка)

- Надсташшонный объем для нужд города

Рисунок 5 - Схема расположения тоннельных сооружений от ст. «Проспект Славы» до ст. «Южная» Санкт-Петербургского метрополитена

г

= 30

Є

І

і-§

= го 5

I»

5 ю

I.

м

\ V X/1

\ ч\ А

\ г .и V4 •>ч ч\

V ч 4/

4 % ч . 1 * * ^ (

" 1 1 0. 5 0 0 >5 ~ - -С І- _ __ 0

Величина притруза, уН

Рисунок 7 - Зависимость вертикальных смещений поверхности от величины пригруза забоя при различных прочностных характеристиках массива 1 - с=20 кПа, (р= 10°; 2 - с=30 кПа, <р=Щ 3 - с=40 кПа, <р=Щ 4 - с=20 кПа, (р= 15; 5 - с=20 кПа,

Рисунок 6 - Сечение двухпутного перегонного тоннеля

Рисунок 8 - Мульда оседания земной поверхности по оси забоя 1 с=30 кПа; 2-^=13° с=30 кПа; 3-^=15°, с=30 кПа;

4 - ср= 17, с=30 кПа; 5 - ср=20Г, с=30 кПа

2. Оседания земной поверхности по трассе строительства тоннелей определяются взаимодействием системы «обделка -проходческий комплекс — грунтовый массив», прочностными и деформационными характеристиками грунтового массива, глубиной заложения тоннелей и их геометрическими размерами.

Для перегонных тоннелей мелкого заложения выполнено численное моделирование, по результатам которого были получены зависимости оседания земной поверхности и смещений в обделке перегонного тоннеля в зависимости от прочностных и деформационных характеристик грунтового массива (угол внутреннего трения и сцепление).

В качестве объекта изучения выбран проектируемый двухпутный перегонный тоннель Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена. Тоннель имеет большое поперечное сечение, его внутренний диаметр составляет 9,4 м, а глубина заложения меняется от 10 до 40 м.

Мульда оседания земной поверхности по оси забоя при различных прочностных характеристиках массива представлена на рисунке 8. Принципиальная расчетная схема, заложенная в разработанную пространственную конечно-элементную модель, представлена на рисунке 9.

Глубина заложения тоннеля для изучаемого участка составляет 10 м. Основные линейные размеры модели следующие: ширина модели в основании (в направлении оси X) — 160 м; длина модели (в направлении оси 7^) - 80 м; высота модели в наиболее высоком месте (в направлении оси У) - 100 м.

Было выполнено несколько серий численных экспериментов:

1) с одинаковыми значениями угла внутреннего трения и различными значениями сцепления грунтового массива;

2) с одинаковыми значениями сцепления и различными значениями угла внутреннего трения грунтового массива.

Расчеты выполнялись для выявления зависимости оседания земной поверхности от величины угла внутреннего трения и сцепления грунтового массива.

При постоянном значении сцепления грунтового массива с=30 кПа и значении угла внутреннего трения (р=Ш оседание земной поверхности составляет 22-23 мм, что в 2,5 раза больше, чем при

<р=2(У. Оседание земной поверхности впереди лба забоя реализуется приблизительно на 10 % от его общей величины.

При постоянном значении угла внутреннего трения грунтового массива <р=2С и значении сцепления с=50 кПа оседание земной поверхности составляет 2-3 мм, что в 7 раз меньше, чем при с—10 кПа. Оседание земной поверхности впереди лба забоя реализуется приблизительно на 15 % от его общей величины.

Строительство тоннеля оказывает влияние на оседание земной поверхности впереди забоя на расстоянии полутора диаметров тоннеля (15 м) и позади забоя на расстоянии двух диаметров (20 м).

На рисунке 10 представлена мульда оседания земной поверхности при строительстве тоннеля без пригруза забоя. При отсутствии пригруза зона предельного состояния грунтового массива распространяется впереди забоя с выходом на земную поверхность.

На рисунке 11 представлена мульда оседания земной поверхности при использовании пригруза забоя. При наличии пригруза зона предельного состояния локализуется только впереди забоя. Основная часть оседания земной поверхности реализуется позади забоя.

Для перегонных тоннелей глубокого заложения выполнено численное моделирование, по результатам которого были получены зависимости оседания земной поверхности и смещений в обделке перегонного тоннеля. На рисунке 12 представлено смещение земной поверхности в продольном направлении по трассе тоннеля при строительстве ТПМК с величиной пригруза #=0,5 МПа.

Значение максимального оседания земной поверхности составляет 5-6 мм. Оседание впереди лба забоя реализуется на 2025 % от его общей величины. Зона влияния строительства перегонного тоннеля располагается впереди забоя на расстоянии четырех диаметров тоннеля (30 м) и позади забоя на расстоянии пяти диаметров (40 м).

Сравнение результатов численного моделирования оседания земной поверхности с данными наблюдений маркшейдерских съемок (рисунок 13) при строительстве перегонных тоннелей между ст. «Лесная» и ст. «Площадь Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена указывает на их удовлетворительную сходимость.

^т7^ о.^-о К

заложенная в конечно-элементную модель Расстояние, м

Рисунок 12 - Оседание земной поверхности по трассе тоннеля на участке «Размыв» между станциями «Лесная - Пл. Мужества»

-1.558е+00 хт

-1.б28е+оо Направление

. -1.698е+00

-1.7б8е+оо ГфОХОДКН

Рисунок 10 - Мульда оседания земной поверхности при потере устойчивости

лбом забоя

забой

Направление проходки

Рисунок 11 - Мульда оседания земной поверхности при использовании

пригруза забоя

Рисунок 16 - Распределение тангенциальных напряжений внутреннем контуре обделки (в МПа) при модуле деформации вмещающего массива Е = 7, 10, 15 и 20 МПа

15 10

-Е=7 МПа

■— Е=10 МПа " - Е=15 МПа .....Е=20 МПа

Рисунок 17 - Распределение тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки (в МПа) на период эксплуатации с учетом бетонного основания при модуле деформации вмещающего массива Е = 7, 10, 15 и 20 МПа

Расстояние от оси между тоннелями, м

Рисунок 13 - Динамика оседания земной поверхности по профильным линиям грунтовых реперов 1 - после строительства первого тоннеля; 2 - после строительства второго тоннеля; 3 - в период эксплуатации (декабрь 2005 г.); 4 - расчетное значение максимального оседания земной поверхности при проведении первого перегонного тоннеля

Источники потери объема при строительстве тоннелей ТПМК с пригрузом забоя, приводящие к оседанию земной поверхности, представлены на рисунке 14.

Рисунок 14 - Потери объема при строительстве тоннеля ТПМК

В работе предложен приближенный метод расчета оседания земной поверхности, основанный на балансе «потерянного объема».

В качестве «потерянного объема» принимается объем грунта, извлекаемый дополнительно по сравнению с его величиной по проекту.

Оседание земной поверхности найдем из баланса «потерянного объема» и объема оседания земной поверхности над тоннелем:

V, = V«. (1)

Мульду оседания земной поверхности можно описать функцией Гаусса, которая используется многими исследователями и вследствие этого получила широкое распространение при анализе вертикальных смещений в поперечном направлении.

Из анализа приведенных выше потерь следует, что основной вклад в объем потерь грунта оказывают радиальные смещения грунта в призабойной зоне.

Объем потерь на метр длины тоннеля равен:

У51 = 2тг ■ К ■ иг, (2)

где Я — радиус тоннеля вчерне, м; иг — радиальное перемещение контура тоннеля, м.

Радиальное перемещение тоннеля 1ГГ найдем из решения линейной задачи геомеханики о деформировании грунтового массива вокруг тоннеля кругового очертания:

= (3)

где в - модуль сдвига грунтового массива, МПа; у - удельный вес грунта, кН/м3; Н - расстояние от центра тоннеля до земной поверхности, м; д - давление пригруза, МПа.

Из равенства баланса объемов (1) следует, что величина максимального оседания $у тпах равна:

_ 2тг ■ К ■ иг

,тах ~ рг— < (4)

1Х • л/2л

где 1Х — параметр, определяющий ширину мульды оседания в поперечном направлении и равный расстоянию от центра тоннеля до точки перегиба кривой оседания земной поверхности, м.

Для нахождения параметра 1Х рассмотрим процесс деформирования грунтового массива.

Над тоннелем формируется область оседания грунтового массива с выходом на земную поверхность. Размеры этой области можно оценить с помощью методов механики сыпучей среды. Область оседания грунтового массива ограничивается линией скольжения, которая расположена к вертикали под углом а:

где (р - угол внутреннего трения грунта, град.

На рисунке 15 представлена схема смещения грунтового массива над тоннелем.

п ср

(5)

н

:r

Рисунок 15 - Схема смещения грунтового массива над тоннелем Из треугольника ABC следует, что:

тогда параметр ix равен:

В работе приведены результаты натурных наблюдений за оседанием земной поверхности по данным различных исследователей. Результаты натурных наблюдений сопоставлены с результатами расчетных значений по методике Р. Айе\уе11, получившей распространение за рубежом, и экспериментально-аналитическим методом, предложенным в работе.

Для расчета оседания земной поверхности по экспериментально-аналитическому методу, прочностные и деформационные характеристики грунтового массива принимались по данным натурных наблюдений, которые опубликованы в научных трудах зарубежных исследователей.

Сопоставив два метода расчета оседания земной поверхности с данными натурных наблюдений, полученными при строительстве тоннелей, можно сделать вывод об их согласованности.

3. Прогноз напряженно-деформированного состояния грунтового массива и обделки двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения должен учитывать его взаимодействие с земной поверхностью, а на стадии эксплуатации - влияние бетонного основания в нижней части тоннеля.

Аналитические методы расчёта НДС обделок тоннелей мелкого заложения являются сложными. Для их решения могут быть использованы численные методы, в частности, метод конечных элементов.

Граничные условия в конечно-элементной модели задавались следующим образом: запрещены смещения по нижней грани -в направлении оси У, по боковым граням - в направлении оси X, верхняя грань оставлена свободно деформируемой. Начальное поле распределения напряжений принято геостатическим.

Глубина заложения тоннеля для изучаемого участка составляет 10, 15 и 20 м. Основные линейные размеры модели следующие: ширина модели (размер в направлении оси X) - 200 м; высота модели (размер в направлении оси У) - 100 м.

Помимо глубины заложения тоннеля также изменялся и модуль деформации грунтового массива: Е=1, 10, 15 и 20 МПа.

Было разработано 3 модели с различной глубиной заложения двухпутного перегонного тоннеля и выполнено 12 численных экспериментов с различными прочностными и деформационными характеристиками грунтового массива.

Получены величины радиальных напряжений на внешнем контуре обделки и тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контурах обделки двухпутного тоннеля. На рисунке 16 представлены эпюры тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки с проектной толщиной обделки 0,5 м на глубине заложения тоннеля 10 м от свода.

В период эксплуатации перегонного тоннеля в лотковой части будет установлено бетонное основание. В диссертационной работе выполнено численное моделирование НДС обделки на период эксплуатации двухпутного тоннеля.

На рисунке 17 представлены эпюры тангенциальных напряжений по внутреннему контуру обделки тоннеля на этапе его эксплуатации.

По построенным эпюрам видно, что при увеличении глубины заложения двухпутного перегонного тоннеля и уменьшении модуля деформации грунтового массива происходит пропорциональное увеличение величины тангенциальных напряжений на внешнем и внутреннем контурах обделки и радиальных напряжений на внешнем контуре. Наибольшая величина нормальных тангенциальных напряжений имеет место на внутреннем контуре в боку обделки на глубине 20 м и составляет 15 МПа.

Произведен расчет НДС обделки двухпутного перегонного тоннеля. Расчет показывает, что толщина обделки тоннеля, равная 0,5 м, может быть снижена до 0,3 м. Представлены рекомендации по уменьшению толщины обделки в зависимости от глубины заложения тоннеля.

Анализ результатов расчета показывает, что устройство дополнительного бетонного основания в двухпутном перегонном тоннеле приводит к уменьшению величины тангенциальных и радиальных напряжений.

В диссертационной работе представлен метод прогноза напряжений в обделках тоннелей, сооружаемых в грунтах плывунного типа. Величины тангенциальных напряжений, рассчитанные по предложенному методу, изменяются от 7,20 до 14,75 МПа. Сопоставление результатов метода расчета тангенциальных напряжений с данными натурных исследований, выполненных ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс», показывает их удовлетворительную сходимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предлагается решение актуальной для подземного строительства задачи - прогноза напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Разработана пространственная конечно-элементная модель прогноза НДС обделки перегонного тоннеля и грунтового массива при строительстве специализированными тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях.

2. Разработан экспериментально-аналитический метод прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя. Определены величины оседания земной поверхности и смещений в обделке перегонных тоннелей. Выполнен анализ результатов расчета оседания земной поверхности в зависимости от прочностных и деформационных характеристик массива и от величины давления пригруза забоя. Выполнено сопоставление результатов расчета оседания земной поверхности с данными натурных наблюдений, установлено их согласование.

3. Установлена зона влияния строительства перегонного тоннеля на оседание земной поверхности. Строительство тоннеля

мелкого заложения оказывает влияние на оседание земной поверхности впереди забоя на расстоянии полутора диаметров тоннеля и позади забоя на расстоянии двух диаметров. Для тоннелей глубокого заложения строительство тоннеля оказывает влияние на оседание земной поверхности впереди забоя на расстоянии четырех диаметров тоннеля и позади забоя на расстоянии пяти диаметров.

Для тоннелей мелкого заложения оседание земной поверхности впереди забоя реализуется 10-15 % его общей величины, а для тоннелей глубокого заложения - 20-25 %.

4. Разработан метод расчета необходимой величины пригруза забоя. Определена величина пригруза забоя, при которой обеспечивается минимальное оседание земной поверхности. Расчетная величина пригруза согласуется с величиной, полученной по результатам численного моделирования. Оседание земной поверхности меньше предельно допустимых значений, установленных ТСН 50-302-2004, достигается при величине пригруза 0,36 уН.

5. Разработана методика расчета напряженного состояния обделки перегонных тоннелей по схеме контактного взаимодействия с учетом влияния земной поверхности. Представлен метод прогноза напряжений в обделке тоннелей глубокого заложения. Выполнено сопоставление расчетных значений тангенциальных напряжений с данными натурных наблюдений и установлено их согласование.

6. Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля на период его эксплуатации. Предложены рекомендации по снижению проектной толщины обделки тоннеля с 0,5 м до 0,3 м.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Супрун И.К. Прогноз пространственного напряженно-деформированного состояния грунтового массива при проходке тоннелей технологией с пригрузом забоя // Записки Горного института, СПб, 2012 г., т.196, с. 94-100.

2. Супрун И.К. Прогноз напряженно-деформированного состояния двухпутного перегонного тоннеля Фрунзенского

радиуса Санкт-Петербургского метрополитена /А.Г. Протосеня, И.К. Супрун // Записки Горного института, СПб, 2012 г., т.197, с. 147-150.

3. Suprun I.K. Spatial stress-strain condition of deep underground station inclined movement liner research // batest Developments in Mineral Industry - Geology, Mining, Metallurgy, and Management. Scientific Reports on Resource Issues (established in 2010), 2011, vol.l, p. 209-212.

4. Супрун И.К. Прогноз пространственного напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной части при проходке тоннелей с пригрузом забоя / А.Г. Протосеня, И.К. Супрун // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Труды 8-ой Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» 21-23 сентября 2011 г., Выпуск №1, Тула, 2011 г., с. 378-385.

5. Супрун И.К. Исследование пространственного напряженно-деформированного состояния обделки эскалаторного тоннеля метрополитена // Новые информационные технологии в научных исследованиях НИТ-2011. XVI Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых учёных и специалистов, посвященная празднованию юбилея РГРТУ. 16-18 ноября 2011 г., Рязань, 2011 г., с. 273-274.

6. Супрун И.К. Строительство подземных сооружений с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов / А.Г. Протосеня, И.К. Супрун // XIII Международная молодежная научная конференция «Севергеотех-2012»: материалы конференции (21-23 марта 2012 г., Ухта): в 6 ч.; ч.4. - Ухта: УГТУ, 2013 г., с. 197199.

7. Супрун И.К. Прогноз устойчивости обнажений в строящихся тоннелях при проходке с пригрузом забоя / А.Г. Протосеня, И.К. Супрун // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 11-ой международной научно-практической конференции 11-12 апреля 2013 г., Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - Воркута, 2013., с. 170-172.

РИЦ Горного университета. 27.05.2013. 3.299. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Супрун, Игорь Константинович, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

ПРОГНОЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛКИ И ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ ПРОХОДЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ С ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

высшего профессионального образования

04201360166

На правах рукописи

СУПРУН ИГОРЬ КОНСТАНТИНОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор А.Г. Протосеня

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... 9

1.1 Инженерно - геологические и гидрогеологические особенности Санкт-Петербурга............................................................. 9

1.2 Анализ методов определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг тоннелей и их обделок............................ 15

1.3 Применение тоннелепроходческих механизированных комплексов с пригрузом забоя при строительстве перегонных тоннелей...... 25

1.4 Инженерная методика расчета пригруза забоя...................... 32

1.5 Определение оседания земной поверхности........................ 36

1.6 Задачи и методика исследования напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве

перегонных тоннелей с пригрузом забоя........................................ 41

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗА СМЕЩЕНИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛКИ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ С ПРИГРУЗОМ ЗАБОЯ................................. 42

2.1 Общие положения........................................................ 42

2.2 Постановка задачи моделирования.................................. 44

2.3 Методика расчета необходимой величины пригруза забоя при строительстве перегонных тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя................................... 48

2.4 Определение оседания земной поверхности и смещений в обделке.................................................................................. 53

2.5 Сопоставление расчетов оседания земной поверхности с результатами натурных наблюдений.............................................. 55

2.6 Метод прогноза напряжений в обделках тоннелей, сооружаемых в грунтах плывунного типа................................................. 59

Выводы по главе 2............................................................ 65

ГЛАВА 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДВУХПУТНОГО ПЕРЕГОННОГО ТОННЕЛЯ МЕТРОПОЛИТЕНА....... 67

3.1 Обоснование постановки задачи...................................... 67

3.2 Геологические особенности трассы Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена........................................... 74

3.3 Постановка задачи моделирования................................... 79

3.4 Анализ результатов расчета оседания земной поверхности в зависимости от прочностных характеристик массива......................... 82

3.5 Анализ результатов расчета оседания земной поверхности в зависимости от величины давления пригруза забоя........................... 91

3.6 Методика расчета напряженно - деформированного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения.......... 94

3.7 Оценка напряженного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля на период его эксплуатации............................. 102

Выводы по главе 3............................................................ 110

ГЛАВА 4 СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С РЕЗУЛЬТАТАМИ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ............................................................... 113

4.1 Разработка экспериментально-аналитического метода прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.............................................. 113

4.2 Метод прогноза величины пригруза забоя при строительстве тоннелей с использованием ТПМК................................................ 118

4.3 Сопоставление результатов расчетных значений оседания земной поверхности с данными натурных наблюдений....................... 122

4.4 Рекомендации по изменению толщины обделки двухпутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена......................................................................... 126

Выводы по главе 4............................................................ 129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................... 131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................. 133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Строительство метрополитенов является одним из основных способов решения транспортных проблем в мегаполисах. Использование метрополитенов позволяет разгрузить наземные транспортные потоки и часто является единственным способом повышения пропускной способности районов, где строительство дополнительных поверхностных и приповерхностных транспортных коммуникаций невозможно или нецелесообразно.

Строительство перегонных тоннелей в условиях плотной городской застройки может приводить к недопустимым оседаниям земной поверхности и даже к разрушению зданий над подземными объектами. В современных рыночных условиях восстановление поврежденных зданий требует значительных финансовых затрат. Проблема обостряется, когда в зону влияния строительства тоннелей, особенно в центральных районах городов, попадают здания, являющиеся памятниками архитектуры.

Разработке методик расчета параметров конструкций подземных сооружений посвящены научные работы И.В. Баклашова, Н.С. Булычёва, И.С. Бубмана, Б.А. Картозии, Е.И. Кашина, Е.Г. Козина, A.A. Козырева, М.В. Корнилова, В.Е. Меркина, А.Г. Протосени, H.H. Фотиевой, Ю.С. Фролова и других исследователей.

Исследованием геомеханических процессов при строительстве тоннелей с пригрузом забоя занимались отечественные ученые К.П. Безродный, H.A. Беляков, С.Н. Власов, В.А. Гарбер, Е.А. Демешко, М.А. Карасёв, A.A. Кашко, М.О. Лебедев, Д.В. Панфилов, В.П. Самойлов, В.В. Чеботаев и зарубежные ученые, такие как Р. Attewell, W. Broere, L. Langmaak и др.

Перспективным направлением освоения подземного пространства мегаполисов является создание и использование малоосадочных технологий строительства подземных сооружений, базирующихся на комплексном учете

геомеханических процессов, которые протекают в системе «обделка -проходческий комплекс - грунтовый массив».

При строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях с помощью специализированных тоннеле-проходческих механизированных комплексов (ТПМК) с пригрузом забоя наблюдается значительное снижение оседания земной поверхности.

На сегодняшний день методы прогноза оседания земной поверхности, величины пригруза и геомеханических процессов в обделке тоннелей и грунтовом массиве при использовании ТПМК разработаны не в полном объеме.

Современным способом определения напряженно-деформированного состояния обделок и вмещающего их грунтового массива, а также оседания земной поверхности является численное моделирование. Оно выполняется на основе разрабатываемых плоских и пространственных геомеханических моделей с учетом особенностей инженерно-геологических условий, плотности застройки и порядка ведения горно-проходческих работ.

На основе вышеизложенного, прогноз напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей с пригрузом забоя, проводимых в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Повышение безопасности горно-проходческих работ и обеспечение минимального оседания земной поверхности при строительстве подземных сооружений в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях с использованием специализированных ТПМК.

Идея работы. Уменьшение оседания земной поверхности достигается за счет подбора величины пригруза забоя ТПМК в зависимости от инженерно-геологических и градостроительных условий по трассе строительства тоннеля.

Основные задачи исследований:

- анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя;

- создание плоских и пространственных геомеханических моделей напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей и грунтового массива при их строительстве ТПМК с пригрузом забоя;

- численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях для перегонных тоннелей глубокого и мелкого заложения;

- сопоставление результатов численных экспериментов с результатами натурных наблюдений за оседаниями грунтового массива, земной поверхности и напряжениями в обделке тоннелей.

Методы исследований. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива методом конечных элементов; натурные наблюдения за состоянием конструкций перегонных тоннелей и характером формирования нагрузки на обделку, оседанием земной поверхности, смещением грунтового массива и напряжениями в обделке; сравнение результатов численного моделирования с натурными наблюдениями.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- установлены закономерности изменения оседания земной поверхности в зависимости от величины пригруза забоя, прочностных и деформационных характеристик грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей с использованием ТПМК;

- выявлены закономерности напряженно-деформированного состояния обделки при строительстве перегонных тоннелей по технологии с пригрузом забоя.

Основные защищаемые положения:

1. Необходимая величина пригруза забоя при строительстве тоннелей специализированными тоннелепроходческими механизированными комплексами определяется решением пространственной упруго-пластической задачи взаимодействия системы «обделка - проходческий комплекс -грунтовый массив».

2. Оседания земной поверхности по трассе строительства тоннелей определяются взаимодействием системы «обделка - проходческий комплекс - грунтовый массив», прочностными и деформационными характеристиками грунтового массива, глубиной заложения тоннелей и их геометрическими размерами.

3. Прогноз напряженно-деформированного состояния грунтового массива и обделки двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения должен учитывать его взаимодействие с земной поверхностью, а на стадии эксплуатации - влияние бетонного основания в нижней части тоннеля.

Практическая значимость работы:

- разработан метод расчета величины пригруза забоя при строительстве перегонных тоннелей ТПМК в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях;

- разработан метод расчета напряженного состояния обделки перегонных тоннелей с учетом их контактного взаимодействия с грунтовым массивом;

- разработан экспериментально-аналитический метод прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современного численного метода решения геомеханических задач - метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе БипиНа АЬациз; согласованностью результатов численных экспериментов с данными

натурных исследований и с результатами, полученными с применением аналитических методик.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях: Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» в Горном университете (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); Международной конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, г. Краков, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» в Воркутинском горном институте (г.Воркута, 2010 и 2013гг.); 62-ой Международной научной конференции в Фрайбергской горной академии (Германия, г.Фрайберг, 2011г.); на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях «НИТ-2011» в Рязанском государственном радиотехническом университете (г.Рязань, 2011г.); на XIII Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2012» в Ухтинском государственном техническом университете (г. Ухта, 2012 г.).

Личный вклад автора заключается: в постановке задач численного моделирования; в разработке геомеханических моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке методики прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя; в сопоставлении результатов численных экспериментов с данными натурных наблюдений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 2 статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования, включает 66 рисунков и 7 таблиц.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Геологическое строение территории Санкт-Петербурга определяется его расположением в тектонически напряженной области сочленения Балтийского щита и Русской плиты. К северу от Санкт-Петербурга в районе поселка Лосево Русская плита граничит с выступом фундамента платформы - Балтийским щитом. Балтийский щит сложен дислоцированными метаморфическими породами - сланцами и гнейсами АК-РЯь По системе сгущающихся здесь разломов преимущественно северо-западного, близширотного и северо-восточного простирания происходит достаточно быстрое погружение в южном направлении кровли кристаллических пород раннедокембрийского фундамента. Именно эта сеть разломов предопределила основные элементы береговой линии Финского залива, современной и погребенной гидросети доледникового и межледникового времени. Последние геологические исследования территории Санкт-Петербурга и его окрестностей [1] показали, что Санкт-Петербург располагается в пределах Ленинградского блока с выраженной гравитационной положительной аномалией (рисунок 1.1).

Крупным тектоническим элементом, определяющим структуру блока, служит региональный разлом северо-западного направления, который в пределах города прослеживается вдоль правого берега р. Нева. В пределах Санкт-Петербурга по обеим сторонам регионального разлома северозападного направления отмечается ряд более мелких разломов, субмеридиональных, северо-восточных и северо-западных, приуроченных в плане к приустьевой части р. Нева. Сети указанных разломов в осадочном чехле унаследованы от структур пород фундамента и представлены относительно приподнятыми, либо опущенными ступенчатыми блоками. По разломам фиксируются тектонические трещины, секущие толщу осадочных

пород, по которым отмечается смещение горизонтов осадочных пород до нескольких метров.

1 - локальные разломы и области их динамического влияния, выделяемые по геофизическим данным; 2 - локальные разломы, установленные непосредственно по геологическим данным; 3 - граница Ленинградского блока;

4 - территория Санкт-Петербурга; 5 - верхнекотлинские глины верхнего венда;

6 - нижнекембрийские глины сиверской свиты.

Рисунок 1.1 - Тектоническая схема Санкт-Петербургского региона [1]

Вблизи города Санкт-Петербурга вдоль акватории Балтийского моря залегает массив кембрийских глин. Небольшая глубина от поверхности, значительная мощность слоев глин (30-70 м), высокая плотность и малая обводненность (10-16 %) указывают на целесообразность использования глинистых формаций для расположения различных объектов народного хозяйства. Благоприятным фактором являются непроницаемость и инертность глин, возможность ведения работ по безотходной технологии, при которой извлеченная глина может быть эффективно использована для производства различного рода керамических изделий.

Отличительными чертами территории, с геологических позиций, являются приуроченность ее к сочленению Балтийского щита и Русской платформы и уникальность в некотором роде инженерно-геологических

условий: в зоне техногенеза оказываются древнейшие из известных на Русской платформе глинистые образования, перекрытые мощной толщей четвертичных отложений разнообразного генезиса, накопившихся при сложном взаимодействии ледниковой, морской и озерной аккумуляции, среди которых широко развиты слабые в строительном отношении водонасыщенные глинистые породы.

Ледниковые и другие четвертичные отложения отличают высокая обводненность, по