Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Четверное транспортное кольцо (Москва)

Оценка оползневой опасности для разработки стадии «Проект»

Оценка оползневой опасности для разработки стадии «Проект» по объекту: «Четвертое транспортное кольцо. Участок от Коломенского проезда до дублера Волгоградского проспекта» с расчетами устойчивости на оползнеопасных участках.

Выполнено: Проведен анализ возможного изменения напряженно-деформированного состояния в грунтовых массивах на оползнеопасных участках трассы проектируемого тоннеля. Исследованы причины, механизм и возможные масштабы деформаций на основе известных примеров нарушения устойчивости склоновых грунтовых массивов при возникновении локального источника, вызывающего в них негативные изменения напряженного состояния.

Сделаны расчеты устойчивости склонов с учетом возможных изменений уровня подземных вод, масштабов деформирования, особенностей развития глубоких оползневых подвижек в московском регионе, снижения прочности грунтов в процессе деформирования, влияния тоннеля на разгрузку напряжений в окружающем грунтовом массиве.

На основе анализа результатов выполненных исследований предложены рекомендации по мероприятиям, необходимым для предотвращения оползневых деформаций и обеспечения безопасности строительных работ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МЕРОПРИЯТИЯМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И НОРМАЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАБОТ ПРИ ПРОХОДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО ТОННЕЛЯ НА ОПОЛЗНЕОПАСНОМ УЧАСТКЕ ТРАССЫ

В результате выполненных исследований сделаны следующие основные выводы:

Проектируемый тоннельный участок трассы четвёртого транспортного кольца проходит по оползнеопасной территории Коломенское с развитием оползней различных типов, среди которых наибольшую опасность представляют глубокие блоковые оползни, основная, почти горизонтальная, поверхность которых расположена в юрских глинах оксфордского яруса. Современные проявления глубоких оползней распространены повсеместно на правом берегу р. Москвы от Завода полиметаллов на юге, до Музея – заповедника «Коломенское» — на севере. Установлено, что оползневые смещения происходят на этом участке и в настоящее время с поверхностью скольжения на отметках 100 – 104 м, что на 10 – 14 м ниже уровня р. Москвы. Наибольшая активизация деформаций на участках происходила в периоды строительства Чертановских канализационных коллекторов 1-ой и 2-ой очередей (диаметр коллектора 3 м).

Трасса проектируемого тоннеля проходит западнее участка активного развития глубоких оползневых подвижек, располагаясь на пойменной части, пологом склоне II надпойменной террасы р. Москвы и также на пологом склоне, переходящем в плато теплостанской возвышенности (проспект Андропова).

Геологическое строение грунтового массива в коренном залегании (плато и его откос) для участков развития глубоких оползневых подвижек и прохождения трассы тоннеля сходны, включая четвертичные, меловые отложения, юрские образования титонского (волжского), оксфордского и бат-келловейского ярусов, отложения карбона. Однако, если средний угол наклона оползневого склона на упомянутых выше участках составляет 8 – 15 град., а надоползневого уступа 31 – 33 град., то генеральный угол наклона склона борта долины по трассе тоннеля (пикеты 30 – 40) составляет 2,5 – 3 град. Коренной массив с пикета 34 и далее «подперт» мощной толщей аллювиальных отложений, в целом, обеспечивающей его устойчивость. Следует отметить наличие напора в подошве слоя титонских (волжских) глин (в фосфоритовом слое). Напор составляет 13 – 29 м.

По данным обследования исследуемой территории выявлены многочисленные признаки развития оползневых деформаций в районе трассы тоннеля, в основном на прибрежном склоне р. Москвы: оползневые трещины, характерные морфоэлементы (ступени оползневых блоков, бугры сжатия), наклоны и саблевидные изгибы деревьев), свидетельствующие о сравнительной активности оползневого процесса даже на слабонаклонённой ухоженной парковой территории до проведения строительных работ по проходке тоннеля большого диаметра. Однако повсеместное наличие маломощного фосфоритового слоя с напорными подземными водами по протяжению трассы тоннеля, мощная толща аллювиальных отложений, позволяет судить о возможном отсутствии значительных глубоких подвижек с захватом оксфордских глин юрской системы в прошлом и, следовательно, об отсутствии унаследованных глубоко залегающих поверхностей и площадок скольжения – сдвига, а также, соответственно, о наличии потенциала устойчивости грунтовых массивов на глубинах проектируемого тоннеля.

Проведен анализ условий возможного возникновения предельного состояния устойчивости в период проходки тоннеля диаметром 20 м. Установлено, что на всем протяжении трассы в районе Коломенского, включая выделенные оползнеопасные участки, благодаря слаборасчлененному рельефу обеспечивается общая устойчивость массивов, напряженно-деформированное состояние которых в активной зоне изменяется вследствие влияния тоннеля от состояния «покоя» к «активному предельному равновесию», за счёт значительного запаса «пригрузки» (покровной толщи над тоннелем) в пассивной зоне.

Однако теоретический анализ формирования предельного состояния в локальных зонах грунтового массива и рассмотрение случаев нарушения равновесия склоновых грунтовых массивов при глубинном воздействии на их напряженное состояние (подсекающая оползневая трещина, разгружающая горные выработки в зоне деформирующихся горизонтов) показывают, что на рассмотренных оползнеопасных участках возможно временное глубинное нарушение равновесия грунтового массива при сооружении тоннеля (имитация воздействия р. Москвы путем подмыва нижней части склона), которое может выразиться в сдвиговом перемещении грунтового массива, прилегающем к тоннелю и в деформационном воздействии на его обделку.

Произведены расчёты устойчивости склона по двум оползнеопасным участкам, с учётом воздействия тоннеля на склоновый массив в виде удаления упора из нижележащих грунтовых масс по границе (сечению) тоннеля. Установлено, что на рассматриваемых участках устойчивость склона обеспечивается при любых наихудших сочетаний факторов (повышении уровня подземных вод, изменении прочности грунтов в процессе деформирования, изменений положения в разрезе поверхности скольжения, влияние тоннеля – удаление упора нижних отсеков). Однако коэффициент устойчивости, даже без учёта напора в фосфоритовом слое, может достигать 1, и меньших значений при прогрессирующем развитии влияния разгрузки напряжений и разуплотнения грунтового массива вследствие влияния тоннеля вверх по склону.

Анализ возможного изменения напряженно-деформированного состояния и условий возникновения предельного состояния на оползнеопасных участках трассы в зонах влияния сооружения тоннеля, расчёты устойчивости склона на этих участках, показали, что реально возникновение ситуации с временным нарушением равновесия склонового массива, которое может проявиться в виде оказания давления на обделку тоннеля и повышении деформативности грунтов (смещения грунтов в сторону тоннеля).

В связи с этим, предлагаются следующие рекомендации:

Проходку тоннеля и создание прочной обделки на рассмотренных оползнеопасных участках необходимо осуществлять в максимально сжатые сроки.

В технологии проходки тоннеля предусмотреть минимальное влияние на окружающий грунтовый массив, сохраняя исходное напряженно-деформированное состояние.

На оползнеопасных участках (пикеты 31 – 35 и 39 – 42) предусмотреть дополнительное усиление прочности и жесткости каркаса обделки тоннеля, например, в виде продольных и поперечных (по окружности) ребёр жесткости из двутавровых стальных балок. Данные работы выполнять также в сжатые сроки.

Организовать и вести мониторинг в процессе строительства тоннеля и год после за деформационным поведением склонового массива на указанных оползнеопасных участках. Для этой цели: оборудовать грунтовые реперы по трассе тоннеля и створам III-III, IV-IV с интервалом 20 – 25 м. За период прохождения участка (строительства тоннеля) выполнить 4 – 6 циклов геодезических наблюдений, до строительства (начальный этап) – 3 – 4 цикла наблюдений и за год после строительства тоннеля – 6 циклов наблюдений.

Целесообразно организовать автоматизированные наблюдения на обоих участках за деформациями в приповерхностных слоях по трассе тоннеля для контроля процесса проявления растягивающих напряжений (деформаций) в массиве в период строительства и их изменение в последующие этапы работ в тоннеле. Для этой цели могут быть использованы глубинные реперы – деформометры ИГЭ РАН, позволяющие контролировать развитие деформаций с разрешающей способностью 1 мм в автоматическом режиме с передачей информации по мобильной связи на сборный пункт. Такие устройства будут контролировать 150 – 200м по выделенному створу. Например, по участку III-III – это пикеты 32 – 34 (рис. 1). Всего на два створа потребуется 4 комплекта глубинного репера — деформометра с последующим размещением их в траншее глубиной 1 м. Приборы позволят контролировать развитие растягивающих деформаций и деформаций сжатия на каждом 25-метровом отрезке по длине участка 200 м.

Рис. 1. Схема автоматического глубинного репера – деформометра ИГЭ РАН с контролем деформаций на базе 200 м. 1 – репер-анкер с закреплением ниже глубины промерзания; 2 – колодец с блоками регистрации, накопления и передачи информации и питания, ГР; 3 – трос в защитной трубке; 4 – траншея глубиной 1 м.

Таким образом, усиление каркаса обделки тоннеля на оползнеопасных участках и организация мониторинга за деформациями грунтового массива в период строительных работ по проходке и оборудованию тоннеля позволят обеспечить безопасное ведение работ и своевременное предупреждение о возможной активизации глубоких подвижек.