От односводчатых станций — к двухъярусному пересадочному узлу (статья)
От односводчатых станций — к двухъярусному пересадочному узлу
Опыт метростроителей Санкт-Петербурга в развитии односводчатых конструкций
Благодаря целому ряду преимуществ станции метрополитена односводчатой конструкции нашли широкое применение как в зарубежной, так и особенно в отечественной практике.
В большой степени это относится к конструкциям, сооружаемым в открытых котлованах с использованием передвижных опалубок. При этом наблюдается большое разнообразие конструкций: монолитных, сборных, сборно-монолитных, с использованием метода «стена в грунте». В последнее время в ряде городов России внедряется так называемый полузакрытый способ сооружения односводчатых станций метрополитена мелкого заложения с использованием приёмов как закрытого, так и открытого способа работ.
В Санкт-Петербурге вот уже двадцать пять лет строятся односводчатые станции глубокого заложения закрытого способа работ с использованием принципа обжатия в породу несущих сборных железобетонных обделок. К настоящему времени построено 14 станций, 12 из которых находятся в эксплуатации. Успешный опыт индустриального строительства и длительной эксплуатации позволил применить основные принципы и особенности этой конструкции для возведения первого в России двухъярусного пересадочного узла метрополитена под единым сводом. На заканчиваемом строительством участке Фрунзенско-Приморской линии метрополитена от станции «Садовая» до станции «Чкаловская» (сдача в эксплуатацию намечена на конец 1996 г.) построена станция «Спортивная», пересадочная со строящейся Фрунзенско-Приморской линии на будущую Кольцевую.
Решение о строительстве этой станции было принято в 1987 г. в связи с предполагавшимся в то время началом строительства Северного полукольца Санкт-Петербургского метрополитена параллельно со строящимся Фрунзенско-Примороким радиусом и возможностью пуска этих участков в эксплуатацию с незначительным интервалом времени. Сегодня, учитывая трёхлетний период, прошедший с момента возведения несущих конструкций этой станции, проведённые за весь период строительства исследования напряжённо-деформированного состояния грунтового массива и конструкций, осадок поверхности, представляется интересным сопоставление конструкций, методов строительства и некоторых результатов исследований двух станций: первой односводчатой станции «Площадь Мужества» и первого двухъярусного пересадочного узла «Спортивная».
Особенности конструкций
Станция «Площадь Мужества» (рис. 1).
Станция длиной 172 м представляет собой односводчатую конструкцию глубокого заложения со сборными верхним и обратным сводами из железобетонных блоков. Пятами сводов служат тоннели наружным диаметром 5,5 м со сборной железобетонной тюбинговой обделкой, частично заполненные монолитным бетоном. Бетон в местах примыкания сводов армирован арматурными сетками.
Верхний свод пролётом 18,4 м выполнен из не связанных друг с другом циркульных арок шириной 0,5 м каждая, радиусом по внутреннему контуру 9,8 м. Каждая арка состоит из 12 нормальных блоков высотой 70 см сплошного сечения и одного замкового с двумя домкратами Фрейссине для разжатия арки при монтаже путём нагнетания в них цементного раствора специального состава. Нормальные блоки по радиальным торцам снабжены упругопластичными винипластовыми прокладками для уменьшения концентрации напряжений по торцам блоков и уменьшения эксцентриситетов передачи нормальных сил.
Обратный свод выполнен также из не связанных друг с другом циркульных арок шириной 0,5 м каждая, внутренним радиусом 15 м. В арке 10 блоков, в том числе 9 — сплошного сечения и один — замковый с одним плоским домкратом Фрейссине. За блоки арок сводов нагнетался цемеитмо-песчаный раствор. Разжатие верхнего и обратного сводов домкратами Фрейссине позволило получить конструкцию станции с полным обжатием обделки на породу.
Внутри несущей конструкции укладывался монолитный бетон жёсткого основания, монтировались сборные конструкции платформ и подплатформенных помещений, монтировался водозащитный армоцементный зонт.
К одному торцу станции примыкает эскалаторный тоннель на три ленты эскалаторов, в другом торце размещается часть служебных помещений. СТП вынесена в параллельную выработку.
Станция «Спортивная» (рис. 2).
Станция длиной 192 м представляет собой односводчатую конструкцию. Боковые опоры сводов, верхнего и обратного, забетонированы во вспомогательных тоннелях наружным диаметром 9,8 м со сборной железобетонной тюбинговой обделкой. Увеличенный диаметр опор позволил соорудить в них продольные вентиляционные каналы для отвода горячего воздуха (через поперечные каналы) от ходовых частей тележек стоящего на станции подвижного состава.
Верхний свод наружным диаметром 11,2 м состоит из 16 железобетонных блоков толщиной 70 см и шириной вдоль станции 50 см.
Разжатие свода в породу осуществляется путём установки в шелыге свода одного распорного блока, оснащённого двумя домкратами Фрейссине. Все блоки, как и на станции «Площадь Мужества», оснащены по горцам переменными по толщине упругопластичными винипластовыми прокладками, обеспечивающими центрированную передачу нормальных сил в арках свода с минимальными эксцентриситетами.
Обратный свод внутренним радиусом 15 м состоит из 13 блоков и замыкается разжатием в двух разжимных стыках железобетонными клиньями с установкой вкладышей. Ширина арок обратного свода 1 м.
Несущей конструкцией под пути и платформы верхнего яруса служат внутренние сборные железобетонные конструкции в виде двух продольно расположенных колонно-прогонных комплексов с шагом колонн 4 м, устанавливаемых в «стаканы» продольных монолитных железобетонных балок, бетонируемых в пределах жёсткого основания, укладываемого на обратный свод обделки. По верху колонн устанавливаются сборные железобетонные балки, объединённые в неразрезные прогоны. Для восприятия нагрузок от подвижного состава под пути верхнего яруса устанавливаются сборные железобетонные блоки, опирающиеся одним концом на прогоны, другим — на консоль монолитной бетонной опоры.
Платформы обоих ярусов сооружаются из сборных железобетонных элементов. Ширина верхней платформы 11,7 м, нижней, несколько стеснённой колоннами, — 13,2 м. Под платформой нижнего яруса размещаются служебные помещения и проходные кабельные коллекторы, под платформой верхнего яруса — только кабельные коллекторы.
К верхнему ярусу примыкает эскалаторный тоннель с четырьмя эскалаторами, соединяющими станцию с подземным вестибюлем. Нижний ярус в противоположном конце станции в будущем будет соединён пешеходным тоннелем под р. Малая Нева, оснащённым траволаторами и пешеходными дорожками, со вторым выходом — эскалаторным тоннелем на другом берегу р. Малая Нева. Верхний и нижний ярусы соединены между собой двумя группами (по три в каждой) малых эскалаторов.
В пределах среднего зала нижнего яруса верхняя платформа имеет три круглых проёма диаметром 4,8 м, объединяющих в единый архитектурно-художественный замысел объёмы верхнего и нижнего ярусов. Эти участки верхней платформы, а также участки размещения малых эскалаторов выполнены в монолитном железобетоне. Для снижения шума от поездов предусмотрена «мягкая» конструкция основания под путь на каждом ярусе. Так как пересадочный узел предназначен дли обслуживания двух линий метрополитена, проектом предусмотрено и выполнено в натуре сооружение двух вентиляционных стволов, двух нижних вентузлов. В отдельные выработки, служащие для строительства околоствольных дворов, вынесены СТП (отдельная для каждой линии).
Последовательность и темпы работ при сооружении станций
Станция «Площадь Мужества».
Сооружение станции начиналось с проходки опорных тоннелей тюбингоукладчиками. В дальнейшем односводчатые станции сооружались со сквозной проходкой опорных тоннелей и последующей переборкой примыкающих к станции участков перегонов (перед станцией и за ней).
В пройденных тоннелях с помощью передвижной металлической опалубки бетонировались заходками 6 м опоры сводов. Устойчивый темп бетонирования составлял 33 м/мес.
Сооружение свода велось специальным блокоукладчиком в калоттной прорези, порода разрабатывалась отбойными молотками с площадок укладчика заходками 1 м (под две арки свода). Порода сбрасывалась по транспортёру в вагонетки, подаваемые по пути в опорном тоннеле. Блоки свода поднимались из опорного тоннеля на блокоукладчик лебёдкой блокоукладчика. Монтаж блоков свода производился от нижнего к верхнему в середине арки поочерёдно слева и справа. Затем осуществлялось разжатие арки сначала первым домкратом Фрейссине усилием 750—800 кН (75—80 тс), а затем, после производства нагнетания песчано-цементного раствора, — вторым домкратом усилием 2000 кН (200 тс). Чеканка швов и контрольное нагнетание за обделку выполнялось с отставанием от забоя на 10—15 м. Работы велись по скользящему графику при непрерывной рабочей неделе.
Параллельно с разработкой калоттной прорези и монтажом верхнего свода с отставанием от него на 70—80 м двумя уступами электрическим экскаватором с ковшом активного действия велась разработка породы ядра с подачей её ленточным транспортёром в вагонетки. Монтаж арок обратного свода выполнялся электрической кран-балкой. Собранные из блоков арки после нагнетания за них первичного цементного раствора разжимались с отставанием 3—4 м от первой собранной арки домкратом Фрейссине усилием 800—1000 кН (80—100 тс). С отставанием 15—20 м укладывался монолитный бетон жёсткого основания и монтировались конструкции подплатформенных помещений и платформ. Затем велись работы по монтажу зонта, путей, отделочные и другие работы. Темпы работ были высокие: средняя скорость сооружения верхнего свода составила 30 м/мес, максимальная — 37 м/мес, а на следующей станции «Политехническая» была достигнута скорость сооружения свода 45 м/мес.
Разработка грунта ядра и монтаж обратного свода велись со скоростью до 55 м/мес.
Поточный метод строительства станции позволил выполнить все горнопроходческие работы (от проходки опорных тоннелей до сооружения обратного свода включительно) за 25 мес.
Пересадочная станция «Спортивная».
Строительство пересадочного узла началось с сооружения опорных тоннелей. В их контуре по схеме «сквозной» проходки перегонными механизированными щитами были пройдены с железобетонной обжатой на породу обделкой пилот-тоннели диаметром 5,63 м, которые затем были расширены до диаметра 9,8 м с разборкой обделки малого диаметра и монтажом обделки большого диаметра. Внутри этих тоннелей с применением переставных опалубок и бетононасосов были сооружены монолитные опоры сводов.
Верхняя часть сечения с монтажом арок несущего овода проходилась в калоттной прорези с разработкой породы отбойными молотками и монтажом арок специальным укладчиком, аналогичным использованному при сооружении односводчатых станций. Разработка породы ядра осуществлялась стреловыми горнопроходческими комбайнами двумя уступами. Порода лотковой части сечения выбиралась гидравлическим тоннельным экскаватором, оснащённым обратной лопатой. Монтаж арок обратного свода производился передвижной кран-балкой. Такими же кран-балками монтировались внутренние конструкции и в последнюю очередь с подмостей, устроенных на кран-балках, навешивались водозащитные армоцементные зонты.
Уровень механизации разработки породы составил около 80 %, монтажных и бетонных работ — 100 %. Работы велись наступающим (от наклонного хода к противоположному концу станции) фронтом. Поддержание высоких темпов проходки диктовалось необходимостью быстрейшего замыкания конструкции высотой 20,25 м и шириной в свету 20,10 м обратным сводом, уменьшения ее деформаций и осадок поверхности, так как в зоне влияния строящейся станции на поверхности находятся такие чувствительные к осадкам сооружения, как спортивно-концертный комплекс «Юбилейный», береговой устой Тучкова моста, набережная р. Малая Нева и стадион «Петровский» с его высокими трибунами и опорами освещения.
Строительство первой в России двухъярусной пересадочной станции метрополитена осуществлялось как экспериментальное с выполнением научного сопровождения в виде геодезического контроля осадок поверхности и деформаций конструкций и исследованием их напряжённо-деформированного состояния. Строительство пришлось на период перестройки экономического механизма в стране, велось в условиях острой нехватки финансирования, материалов, когда зачастую работы производились неполное рабочее время, в сокращённую (до трёх дней) рабочую неделю. Эти обстоятельства существенно удлинили сроки ведения работ и отрицательно сказались на деформации поверхности.
Первоначальный график строительства участка линии (и станции в том числе) предусматривал сдачу его в эксплуатацию в 1992 г. (по титулу стройки), то есть при сроке строительства станции 5 лет. Фактически под влиянием указанных выше факторов экономического характера срок строительства составил 9 лет. то есть удлинился в 1,8 раза.
Основные этапы строительства:
- 1. Проходка двух стволов, подходных тоннелей, нижних вентузлов, участков перегонных тоннелей, граничащих со станцией: январь 1988 г. — февраль 1989 г.— 14 мес.
- 2. Проходка опорных тоннелей диаметром 9,8 м: март 1989 г. — июнь 1990 г. — 16 мес. Средние скорости 15,54 м/мес и 14,43 м/мес.
- 3. Бетонирование опор в переставной опалубке: сентябрь 1989 г. — март 1991 г. — 19 мес. Средние скорости 11,22 м/мес и 11,88 м/мес.
- 4. Сооружение криволинейной штольни, монтаж укладчика и проходка калоттной прорези с монтажом верхнего свода: март 1990 г. — май 1991 г. — 15 мес. Средняя скорость 14,43 м/мес, максимальная скорость 21,5 м/мес.
- 5. Разработка породного ядра уступами о монтажом обратного свода: январь 1992 г. — январь 1993 г. —13 мес. Средняя скорость 15,54 м/мес.
- 6. Сооружение жёсткого основания нижнего яруса: сентябрь 1992 г. — октябрь 1993 г. —14 мес. Средняя скорость 14,43 м/мес.
- 7. Сооружение торцевой стены у эскалаторного тоннеля (рис. 3): август 1990 г. — июль 1992 г. — 24 мес.
- 8. Сооружение монолитной поперечной кемеры: декабрь 1990 г. — февраль 1993 г. — 27 мес.
- 9. Сооружение натяжной: сентябрь 1992 г. — февраль 1994 г. — 18 мес.
- 10. Проходка эскалаторного тоннеля: октябрь 1992 г. — март 1994 г. — 18 мес.
- 11. Монтаж и бетонирование внутренних конструкций, водозащитных зонтов верхнего яруса, общестроительные, монтажные, отделочные, путевые работы: январь 1993 г. — декабрь 1995 г. — 36 мес.
Характер проявления горного давления при сооружении верхнего свода станций
Станция «Площадь Мужества».
Станция сооружалась в протерозойокой глине, мощность которой над шелыгой свода составляла от 6,0 до 7,5 м. Это сухие плотные глины, представляющие собой твёрдую слабо деформируемую породу с естественной влажностью 13—14 %, временным сопротивлением сжатию перпендикулярно слоистости 2,5 МПа (25 кгс/см²), сцеплением 0,15—0,2 МПа (1,5—2,0 кгс/см²). В верхней части сечения станции глина имела прослойки мощностью до 12 см и длиной до 10 м глинисто-мергелистого песчаника слабой и средней плотности. Над слоем протерозойской глины залегают четвертичные отложения, представленные песками, супесями, суглинками лужской и московской морен и межморенными отложениями.
Разрушения грунта в забое при проходке калоттной прорези под действием горного давления происходили в основном в пределах лба забоя и выше уровня кровли, как правило, не распространялись. Вывалы из кровли максимальным объёмом 1,1 м³ за весь период проходки свода были отмечены всего 4 раза, в том числе три случая — после остановок в проходке. Кровля в боковых частях калоттной прорези не разрушалась, была устойчивой.
Вертикальное горное давление на стойки временной крепи забоя при скорости 25—30 м/мес не превышало величины 12—15 кПа (1,2—1,5 тс/м²). Основной нагрузкой на временную крепь являлось горизонтальное давление лба забоя от 5,4 кПа (0,54 тс/м²) в средней части калоттной прорези до 0,6 кПа (0,06 тс/м²) у опор. Горизонтальное горное давление проявлялось в сильной трещиноватости грунта в средней трети забоя по ширине (3,5—4 м) и до 1 м по глубине. За пределами заходки глина представляла собой, как правило, устойчивый монолитный массив. По высоте забоя 3,9 м трещиноватость проявлялась примерно в верхних ¾ забоя и также не выходила за границы 3,5-4 м по ширине забоя.
Станция «Спортивная».
Эта станция сооружена также в протерозойской глине со слоем, включая её перемятый слой, над шелыгой свода около 14 м и вышележащей толщей 30 м четвертичных отложений. Несмотря на большую (на 25 %) ширину сечения пересадочной станции по грунту (29,9 м) по сравнению со станцией «Площадь Мужества» (23,9 м), а также наличие параллельно со станцией пройденных выработок НВУ и СТП, горное давление в забое калоттной прорези при сооружении верхнего свода проявилось не намного больше, чем при строительстве станции «Площадь Мужества». Вывалов породы при непрерывной проходке со средней скоростью от 14 до 21,5 м/мес в забое не было, зона трещиноватости лба забоя была не более 0,5 ширины забоя и практически незначительно выходила за пределы выше кровли выработки.
Хотя при строительстве не было организовано замеров нагрузок на временную крепь, горное давление, по-видимому, не превышало более чем на 10—15 % нагрузки на крепь при строительстве станции «Площадь Мужества».
Деформации несущих конструкций в процессе строительства
Опоры свода
Станция «Площадь Мужества».
Маркшейдерские наблюдения за весь период строительства выявили осадку опор свода в пределах от 15 до 20 мм. Осадки начинались до подхода забоя калоттной прорези на расстояние около 3 м, интенсивно нарастали после монтажа арок свода в первые 20—25 сут, а затем постепенно затихали.
Станция «Спортивная».
Маркшейдерскими наблюдениями выявлена осадка опор свода за период 2 года 8 мес. — с начала монтажа верхнего свода до конца монтажа обратного свода. Минимальные осадки (по 20 точкам) составили 7 мм, максимальные — 68 мм, средняя величина 49,2 мм на одной опоре, 49,5 мм — на другой.
Горизонтальной подвижки, а также какого-либо поворота монолитных опор в процессе строительства станции «Площадь Мужества» отмечено не было. На станции «Спортивная» отмечено сближение верхних внутренних точек опор ле~ вой и правой в среднем на 65,6 мм нижних точек в среднем на 157,2 мм. За счёт неравномерного смещения верха и низа внутрь станции опоры приобрели наклон наружу от 0′19″ до 0′26″.
Осадки верхнего свода станций
Станция «Площадь Мужества».
На первом участке (длиной 50 м) разжатие свода домкратами Фрейссине производилось усилием 400—800 кН (40—80 тс), в среднем 620 кН (62 тс) — первым домкратом, и 1500—2000 кН (150—200 тс), в среднем 1770 кН (177 тс) — вторым домкратом. На этом участке средняя величина осадки шелыги свода составила 123 мм в конце периода наблюдений (около 11 мес. с момента монтажа).
Не втором участке (длиной 115 м) при среднем усилии разжатия первым домкратом 870 кН (87 тс) и вторым домкратом 2300 кН (230 тс) средняя величина осадки шелыги свода составила 80,3 мм за период наблюдений от 8,5 мес до 10 мес (с момента монтажа). Около 80 % деформации арок происходило в течение первых 1,5—2 мес с момента монтажа.
Станция «Спортивная».
Благодаря затянувшемуся по причинам экономического характера строительству наблюдения за деформациями конструкций станции, в частности за осадками свода, впервые в натурных условиях проведены в течение длительного периода — трёх лет с момента монтажа. Осадка шелыги свода (средняя по 27 аркам — замерялась каждая пятая арка) составила от 62 до 185 мм, в среднем 126 мм. Из этой величины около 50 % проявилось спустя месяц после монтажа свода, около 72 % — спустя четыре месяца и примерно 90 % — через год после монтажа свода.
Деформации обратного свода
Период для наблюдения деформаций обратного свода был очень мал в связи с тем, что при поточном методе строительства вслед за монтажом арок обратного свода с небольшим отставанием ведутся укладка бетона жёсткого основания и монтаж внутренних конструкций. При строительстве станции «Площадь Мужества» заметных деформаций обратного свода отметить не удалось. При строительстве станции «Спортивная» кольца обратного свода собирались выше проектного положения (от 4 мм до 187 мм) — середина свода. Наблюдения за их деформациями велись в течение от 3,5 мес до 0,5 мес. За время наблюдений произошла осадка большинства колец на величину от 1 до 37 мм. На ряде колец, где период наблюдений составлял 3,5 мес, произошло поднятие середины кольца на 3—25 мм, по-видимому, за счёт как осадки опор свода, так и деформации породы в подошве выработки, направленной вверх.
Деформации поверхности
Станция «Площадь Мужества».
Максимальная осадка поверхности над осью станции над кольцами № 43 — 45 спустя 13 мес. после монтажа верхнего свода составила 126 мм, в том числе около 20 мм — от проходки опорных тоннелей. На остальном участке при увеличенных скорости проходки и усилии разжатия арок максимальная осадка составила 109 мм (рис. 4).
Развитие деформации от проходки калоттной прорези начиналось впереди забоя примерно на 50 м. Из сопоставления величины осадок поверхности и осадок шелыги верхнего свода видно, что последняя составила на этой станции около 90 % от первой.
Рис. 4. Деформации поверхности (Б) и шелыги свода (А) станции «Площадь Мужества»: I — проходка опорных тоннелей и бетонирование опор свода; II — сооружение верхнего свода; III — разработка породи ядра и сооружение обратного свода; IV — монтаж внутренних конструкций
Рис. 5. Деформации поверхности (Б) и шелыги свода (А): I — проходка пилот-тоннелей в пределах опор; II — проходка опорных тоннелей диаметром 9,8 м и бетонирование опор; III — проходка калоттной прорези и монтаж верхнего свода; IV — разработка породного ядра и монтаж обратного свода; V — монтаж внутренних конструкций
Станция «Спортивная».
Наблюдения за деформациями велись в течение всего периода стрительства с января 1988 г. Было организовано три основных поперечных створа реперов:
- — поперечник I примерно в интервале колец № 50 — 55 верхнего свода (8 реперов);
- — поперечник II в интервале колец № 105—110 (6 реперов);
- — поперечник III над монолитной поперечной камерой в створе набережной р. Малая Нева (6 реперов).
Над осью станции по поперечнику I максимальные осадки (на март 1996 г., спустя четыре года после монтажа верхнего свода) составили 276 мм, 76 % от прогнозируемой величины 365 мм по расчёту ВНИИГалургии. Если 276 мм принять за 100 %, то 17 % (46 мм) составили осадки от проходки опорных тоннелей, 53 % (146 мм) — осадки от проходки калоттной прорези с монтажом верхнего свода, 17,4 % (48 мм) — осадки после разработки породного ядра и монтажа обратного свода. Оставшаяся часть 36 мм (12,6 %) проявилась за четыре года с момента монтажа обратного свода. К этому времени нарастание осадок практически прекратилось. Деформации поверхности над осью станции по поперечнику I за период строительства представлены на рис. 5.
Заключение
Опыт строительства в протерозойских глинах закрытым способом подземных конструкций большого пролёта с разжатием сводов в породу доказывает высокую эффективность как самих этих конструкций, так и методов их строительства, возможность использования их не только в качестве станций метрополитена, но и для подземных объектов в широком диапазоне комплексного освоения подземного пространства, в частности, в области железнодорожного транспорта, объектов городской инфраструктуры, ядерной энергетики, в области строительства объектов длительного безопасного хранения и захоронения химически- и радиационно-опасных отходов. В последние годы Ленметрогипротрансом совместно с другими институтами были выполнены пионерные разработки по применению конструкции двухъярусной станции метрополитена для этих целей. Одним из примеров подобного решения — вариант размещения подземного железнодорожного вокзала высокоскоростной специализированной магистрали (ВСМ), технико-экономическое обоснование которого, в составе комплекса тоннелей ВСМ под Санкт-Петербургом, выполнено Ленметрогипротрансом в 1992—1993 гг. (рис. 6).
Н. И. КУЛАГИН,
кандидат технических наук, генеральный директор АО «Ленметрогипротранс»
Источник
- Журнал «Подземное пространство мира», № 4, 1996