Исследование аварийных режимов проходки станционных выработок метрополитена глубокого заложения при оценке сдвижений подрабатываемого породного массива

Рассмотрены вопросы оценки вредного влияния горных работ при сооружении станции метрополитена «Театральная» в Санкт-Петербурге на здание Исторической сцены Мариинского театра в условиях возможного проявления больших деформаций при проходке натяжной камеры в восточном торце станции. Указанная проблема рассматривалась в контексте обеспечения охраны здания театра от вредного влияния горных работ на завершающей стадии подземного строительства, когда здание уже получило значительные повреждения, а забои самых крупных станционных выработок были временно остановлены для анализа деформаций и принятия окончательных технических решений по проходке в целях недопущения фатальных для здания театра последствий. Основным поводом для рассмотрения именно аварийных режимов послужили данные специальных натурных наблюдений за массивом горных пород, показавшие проявление весьма значительных сдвижений над сводом среднего станционного тоннеля. Исследование включало анализ технологии сооружения камер большого сечения в восточном торце станции с целью выявления возможных рисков проявления больших деформаций, многовариантное численное моделирование напряженно-деформированного состояния породного массива при проходке указанных выработок и анализ данных натурных наблюдений за сдвижениями в скважинах и на земной поверхности. По результатам исследований сделан вывод о весьма низкой вероятности проявления больших деформаций в породном массиве и на земной поверхности в текущих горно-геологических условиях сооружения выработок станции «Театральная», сформулированы рекомендации по модернизации проектных изыскательских работ для целей прогнозной оценки сдвижений пород и мониторинга деформаций.

Волохов Е. М., Киреева В. И., Бритвин И. А., Волошина Е. А. Исследование аварийных режимов проходки станционных выработок метрополитена глубокого заложения при оценке сдвижений подрабатываемого породного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 5. – С. 28–49. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2025_5_0_28.

Волохов Евгений Михайлович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: volohov@spmi.ru, ORCID ID: 0000-0003-4430-4172,
Киреева Вероника Игоревна — канд. техн. наук, независимый исследователь, e-mail: chacter@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9758-5871,
Бритвин Илья Александрович¹ — аспирант, e-mail: britvini25@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-1561-0835,
Волошина Екатерина Александровна¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: pravdina_ea@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0009-0002-4510-7138,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Бритвин И.А., e-mail: britvini25@yandex.ru.

1. Novozhenin S. U., Vystrchil M. G., Bogdanova K. A. Analysis of the mathematical modelling results of displacements and deformations induced by the construction of the escalator tunnel of «Mining Institute» station in Saint Petersburg // Journal of Physics: Conference Series. 2020, vol. 1661, no. 1, article 012105. DOI: 10.1088/1742-6596/1661/1/012105.

2. Вильнер М. А., Стрешнев А. А., Онуприенко В. С. Комплексное исследование напряженно-деформированного состояния целиков при отработке апатит-нефелиновых месторождений системой подэтажного обрушения // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 80—87. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.12.

3. Trushko O. V., Trushko V. L., Demenkov P. A. Construction of underground and multi-story car parks in high-density urban areas // International Journal of Engineering, Transactions B: Applications. 2024, vol. 37, no. 2, pp. 224—236. DOI: 10.5829/IJE.2024.37.02B.02.

4. Franco V. H., Gitirana G. D. F. N., de Assis A. P. Probabilistic assessment of tunneling-induced building damage // Computers and Geotechnics. 2019, vol. 113, article 103097. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.103097.

5. Salahudeen A. B., Yisa G. L. Settlement, slope stability and seepage analyses by numerical modelling method and their applications in practice // Nigerian Journal of Technology. 2023, vol. 42, no. 3, pp. 306—314. DOI: 10.4314/njt.v42i3.2.

6. Ninić J., Gamra A., Ghiassi B. Real-time assessment of tunnelling-induced damage to structures within the building information modelling framework // Underground Space. 2024, vol. 14, pp. 99—117. DOI: 10.1016/j.undsp.2023.05.010.

7. Vitali O. P. M., Celestino T. B., Bobet A. New modeling approach for tunnels under complex ground and loading conditions // Soils and Rocks. 2021, vol. 44, no. 1, pp. 1—8. DOI: 10.28927/ SR.2021.052120.

8. Maazallahi V., Majdi A. Numerical appraisal of rock mass anisotropy effect on elastic deformations of a circular tunnel // Arabian Journal of Geosciences. 2020, vol. 13, article 547. DOI: 10.1007/ s12517-020-05531-3.

9. Алексеев А. В., Вербило П. Э. Численное моделирование устойчивости лба забоя в зоне неоднородности при недренированной модели массива // Известия Уральского государственного горного университета. — 2019. — Т. 53. — № 1. — С. 80—87. DOI: 10.21440/2307-2091-20191-80-87.

10. Zhang Z., Chen Y., Han K., Wei G., Pan Y., Sun M. Mathematical modelling for interaction between soft ground and small curvature shield tunneling considering viscoelastic characteristics influences // Applied Mathematical Modelling. 2024, vol. 127, pp. 607—639. DOI: 10.1016/j.apm.2023.12.020.

11. Wang Z., Guo W., Ding W., Liu K., Qin W., Wang C., Wang Z. Numerical study on the hydrodynamic properties of bentonite slurries with Herschel-Bulkley-Papanastasiou rheology model // Powder Technology. 2023, vol. 419, article 118375. DOI: 10.1016/j.powtec.2023.118375.

12. Karasev M. A., Protosenya A. G., Katerov A. M., Petrushin V. V. Analysis of shaft lining stress state in anhydrite-rock salt transition zone // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2022, no. 12, pp. 151—162. DOI: 10.17794/rgn.2022.1.13.

13. Протосеня А. Г., Алексеев А. В., Вербило П. Э. Прогноз напряженно-деформированного состояния и устойчивости лба забоя тоннеля при пересечении нарушенных зон грунтового массива // Записки Горного института. — 2022. — Т. 254. — С. 252—260. DOI: 10.31897/PMI.2022.26.

14. Wu H., Yang X. H., Cai S. C., Zhao B., Zheng K. Analysis of stress and deformation characteristics of deep-buried phyllite tunnel structure under different cross-section forms and initial support parameters // Advances in Civil Engineering. 2021, vol. 2021, article 8824793. DOI: 10.1155/2021/8824793.

15. Барях А. А., Девятков С. Ю., Денкевич Э. Т. Математическое моделирование развития процесса сдвижения при отработке калийных руд длинными очистными забоями // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 13—20. DOI: 10.31897/PMI.2023.11.

16. Cheng H., Chen J., Chen G. Analysis of ground surface settlement induced by a large EPB shield tunnelling: a case study in Beijing, China // Environmental Earth Sciences. 2019, vol. 78, article 605. DOI: 10.1007/s12665-019-8620-6.

17. Wang R., Zhang J., Liu X. A most-unfavorable-condition method for bridge-damage detection and analysis using PSP-InSAR // Remote Sensing. 2022, vol. 14, article 137. DOI: 10.3390/rs14010137.

18. Zhao C., Lavasan A. A., Hölter R., Schanz T. Mechanized tunneling induced building settlements and design of optimal monitoring strategies based on sensitivity field // Computers and Geotechnics. 2018, vol. 97, pp. 246—260. DOI: 10.1016/j.compgeo.2018.01.007.

19. Bilotta E., Paolillo А., Russo G., Aversa S. Displacements induced by tunnelling under a historical building // Tunnelling and Underground Space Technology. 2017, vol. 61, pp. 221—232. DOI: 10.1016/j.tust.2016.10.007.

20. Хатум Х. М., Мустафин М. Г. Оптимизация места расположения роботизированных станций наблюдений за деформациями зданий и сооружений // Геодезия и картография. — 2020. — Т. 81. — № 9. — С. 2—13. DOI: 10.22389/0016-7126-2020-963-9-2-13.

21. Zhao Y., Chen X., Hu B., Huang L., Lu G., Yao H. Automatic monitoring and control of excavation disturbance of an ultra-deep foundation pit extremely adjacent to metro tunnels // Tunnelling and Underground Space Technology. 2023, vol. 142, article 105445. DOI: 10.1016/j.tust.2023.105445.

22. Мазеин С. В., Кузина А. В., Мишедченко О. А. Обоснование и результаты мониторинга деформаций здания в зоне влияния строительства тоннеля и котлована // Транспортное строительство. — 2022. — № 3. — С. 10—12.

23. Allasia P., Godone D., Giordan D., Guenzi D., Lollino G. Advances on measuring deep-seated ground deformations using robotized inclinometer system // Sensors. 2020, vol. 20, article 3769. DOI: 10.3390/s20133769.

24. Ha D. W., Kim J. M., Kim Y., Park H. S. Development and application of a wireless MEMSbased borehole inclinometer for automated measurement of ground movement // Automation in Construction. 2018, vol. 87, pp. 49—59. DOI: 10.1016/j.autcon.2017.12.011.

25. Song H., Pei H., Zhu H. Monitoring of tunnel excavation based on the fiber Bragg grating sensing technology // Measurement. 2021, vol. 169, article 108334. DOI: 10.1016/j.measurement.2020.108334.

26. Li C., Hou S., Liu Y., Qin P., Jin F., Yang Q. Analysis on the crown convergence deformation of surrounding rock for double-shield TBM tunnel based on advance borehole monitoring and inversion analysis // Tunnelling and Underground Space Technology. 2020, vol. 103, article 103513. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103513.

27. Falbe-Hansen K., Paulatto E., Arce Juliao I. Monitoring cityringen metro project in Copenhagen, Denmark // Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Civil Engineering. 2018, vol. 171, no. 5, pp. 39—47. DOI: 10.1680/jcien.17.00024.

28. Nejjar K., Dias D., Cuira F., Chapron G., Lebissonnais H. Experimental study of the performance of a 32 m deep excavation in the suburbs of Paris // Geotechnique. 2022, vol. 73, no. 6, pp. 469—479. DOI: 10.1680/jgeot.21.00017.

29. Rezaei A. H., Ahmadi-adli M. The volume loss: real estimation and its effect on surface settlements due to excavation of Tabriz metro tunnel // Geotechnical and Geological Engineering. 2020, vol. 38, pp. 2663—2684. DOI: 10.1007/s10706-019-01177-5.

30. Волков В. П., Наумов С. Н., Пирожкова А. Н., Храпов В. Г. Тоннели и метрополитены. — М.: Транспорт, 1975. — 551 с.

31. Голицынский Д. М., Фролов Ю. С., Кулагин Н. И. Строительство тоннелей и метрополитенов. — М.: Транспорт, 1989. — 319 с.

32. Lebedev M. O., Karasev M. A., Belyakov N. A., Basova L. A. Face stability in heavy clay: theory and practice // Journal of Mining Science. 2022, vol. 58, pp. 234—245. DOI: 10.1134/S10627 39122020077.

33. Соловьев Д. А., Анциферов С. В., Саммаль А. С., Деев П. В. Взаимодействие массива протерозойских глин с опережающей анкерной крепью // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2022. — № 1. — С. 363—372. DOI: 10.46689/2218-5194-20221-1-363-372.

34. Hsu C.-F., Tsai Y.-H., Chen Y.-R., Li Y.-F., Chen S.-L. Normalized analysis of deformation for deep excavation diaphragm walls under different neighboring building conditions // Results in Engineering. 2024, vol. 22, article 102155. DOI: 10.1016/j.rineng.2024.102155.

35. Frenelus W., Peng H., Zhang J. Creep behavior of rocks and its application to the longterm stability of deep rock tunnels // Applied Sciences. 2022, vol. 12, no. 17, pp. 1—35. DOI: 10.3390/app12178451.

36. Васенин В. А. Статистическая оценка параметров нарушения природной структуры лабораторных образцов глинистых отложений при инженерно-геологических изысканиях на территории Санкт-Петербурга и окрестностей // Инженерная геология. — 2018. — № 6. — С. 48—

65. DOI: 10.25296/1993-5056-2018-13-6-48-65.

37. Дашко Р. Э., Лохматиков Г. А. Верхнекотлинские глины Санкт-Петербургского региона как основание и среда уникальных сооружений: инженерно-геологический и геотехнический анализ // Записки Горного института. — 2022. — Т. 254. — С. 180—190. DOI: 10.31897/PMI.2022.13.