CC BY
145
Ю.Н. Куликов Е.Ю. Куликова
Московский государственный горный университет
ДЕФЕКТЫ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Несмотря на высокие требования к проектированию и производству работ при городском подземном строительстве несущие конструкции подземных сооружений обладают рядом существенных дефектов, в непродолжительное время приводящих к выходу объектов из строя и дорогостоящим ремонтам.
Так как тоннельные сооружения составляют основную долю подземных сооружений города, то анализу подвергнуты дефекты несущих конструкций сооружений этого типа. Причинами появления дефектов могут быть ошибки, вызванные недостаточной квалификацией или небрежностью в работе изыскателей, проектировщиков, строителей и эксплуатационников; нарушения режимов, норм и параметров, установленных правилами безопасности, инструкциями, руководствами, нормативными документами; несвоевременностью проведения ремонтов и т.п. Однако одной из основных причин появления дефектов в обделках является недоучет нарушений, происходящих в системе “породный массив - подземное сооружение” под влиянием техногенного воздействия на природу и, в первую очередь, активизации фильтрационных процессов в массиве.
При классификации дефектов тоннельных обделок важнейшими показателями являются характер дефектов и их удельный вес (таблица 1)
Удельный вес дефектов определяется как площадь обделок, пораженных одним из дефектов, отнесенный к общей пло-
щади внутренней развертки обделки тоннеля.
В соответствии с этими показателями все дефекты несущих конструкций тоннельных сооружений могут быть подразделены на несколько типов [1 ,2 ,3]
1. Трещины продольного, поперечного, косо-диагонального направления (относительно оси сооружения).
Характер расположения трещин в несущих конструкциях различен в зависимости от типа тоннельного сооружения. Так, для коллекторных тоннелей продольные трещины сосредоточены, в основном, в сводовой части сечения и свидетельствуют
о недостаточной прочности обделки, поперечные - приурочены к технологическим швам вторичной обделки, которые имеют сильную тенденцию к разрушению в связи с их сниженной плотностью. Удельный вес продольных трещин составляет 1,36%, поперечных - 0,47%. Расположение поперечных трещин в зоне технологических швов характерно для большинства подземных сооружений.
В тоннелях метрополитена и других транспортных тоннелях продольные трещины, в основном, приурочены к месту сопряжения путевого бетона и блоков колец обделки, торцам шпал, углам дренажного лотка, местам примыкания сооружений. Поперечные трещины располагаются у основания дренажного лотка, в местах сопряжения смежных выработок и подземного сооружения, в путевом бетоне на уровне торцов шпал и в плоскости стыка стенового бетона.
1л« п/н Наименование тоннели
1. Коллектор “Ново-Рязанская” ул. - ул. К. Маркса
2. Коллектор по Сущевскому валу
3. Главный коллектор Юго-Западного района
4. Ново - Люберецкий канал
5. Правобережный Чуровской коллектор
6. Перегон “Щукинская” -“Сходненская”
7. Перегон “Марксистская” -“Новогиреево”
1 Удельный всс дефектов, %
Общая доля наруше- ний Течи, ’’свищи" шт, на 1000 м Разруше- ние, размыв лотка Трещи- ны, сколы Просадка лотка Смешение колец Эллиптич -ноегь
9,2 73 2,0 0,6 1,6 - -
30 45 21,6 2,3 3.5 - -
21,8 25 13.9 2.05 6,7 - -
56 31 56 0.23 - - -
55,3 25 47 3,47 - - -
10,7 0,06 - 7,88 0,9 10,7 -
- 1,0 - 9,4 0,2 о 4^ 00
Размеры продольных и поперечных трещин также различны. Длина продольных достигает нескольких метров, их раскрытие - от 0 до 6-7 мм. Поперечные трещины имеют ограниченную длину и раскрытие до 7 мм.
Косо-диагональные трещины приурочены к спинкам и ребрам железобетонных блоков и чугунных тюбингов и являются результатом несоответствия прочностных показателей материала обделок давлению развиваемому домкратами проходческого щита. То же происхождение чаще всего имеют отдельные сколы стыков, углов и другие подобные дефекты.
2. Течи, среди которых доминируют "свищи”.
“Свищи” представляют собой сквозные отверстия, диаметр которых колеблется от 0,5 до 5 см. “Свищи” оказывают значительное влияние на нарушение гидроизоляционных свойств несущих конструкций подземных сооружений и являются активными проводниками в него водопесчаной смеси. При эксплуатации коммунальных сооружений через “свищи” в среднем в месяц намывается до 5-10 кг песка на
1 м тоннеля, что приводит к образованию крупных полостей за обделкой, величина которых может достигать более 3 - 7 м . Свищи являются основными каналами эко-фильграции для канализационных тоннелей, т.е. поступления содержимого тоннеля (в данном случае фекальных масс) в окружающую среду (массив). При числе свищей на 1 км тоннеля 25 - 73 штук и их диаметре 0,5 см экофильтрация из тоннеля в сильноводопроницаемых грунтах (Кф = 30 - 100 м/сут) может достигать 25-85 м3, в слабопроницаемых (Кф = 0,1 - 10 м/сут) - 2,5 - 8,5 м в сутки. При диаметре “свища” 5 см цифры соответственно возрастают до 500 -850 м3 и 50 - 170 м3 [3].
От 60 до 90% “свищей” приурочено к местам расположения технологических швов, на долю “свищей” приходится более
50% водопритоков в подземный объект. Около 40 -50% притоков попадает в подземное сооружение через разуплотненные стыки между блоками (тюбингами). Наряду с течами через “свищи” имеет место слабая фильтрация воды через тело блоков, проявляющаяся в виде мокрых пятен.
Трещины и “свищи” являются активными проводниками несвязного грунта в подземное сооружение: через трещины выносится более 60% несвязного грунта, через “свищи” - около 40%.
3. Осадка лотка подземного сооружения, в основном, имеет место в местах выноса грунта. Образование полостей под лотком подземного объекта нарушает статический режим работы обделки и приводит к осадке.
Зависимость осадки тоннеля метрополитена от объема вымытого песка имеет параболический вид (рис. 1), что свидетельствует о нарастании растрескивания лотковой части тоннеля во времени.
О 10 2С 30
Рис. 1. Зависимость осаики тоннеля 5 от количества вымытого песка
4. Эллиптичность - наблюдается у кольцевых железобетонных или чугунных обделок. В соответствии со СНиП Ш-44-77
максимальное отклонение диаметра тон-нальиых обделок от проектного не должно превышать ± 50 мм, однако на практике отклонения значительнее [3,4]. Наряду с эллиптичностью колец может наблюдаться их смешение, достигающее 70 - 80 мм.
5. Размыв логка характерен, в основном, для коллекторных тоннелей. Это явление связано с истирающим действием твердых включений, характерных для масс, протекающих по коллекторам. Действие абразивов усугубляется наличием “свищей”, трещин и химического воздействия, приводящим к ослаблению материалов и конструкции лотка.
Размыв лотка является наиболее весомым дефектом коллекторных тоннелей, его удельный вес составляет 74, 5%. При
сроке службы коллектора от 2 до 22 лет, размыв поражает от 7 до 47% обделки и достигает 3 - 4 см (через 2 года) и до 30 - 40 см (на 22 год).
Средний прирост размыва в год по всем коллекторам составляет 1,5 - 1.6 см.
Размыв лотка приводит к беспрепятственной фильтрации фекалий в окружающую среду. Прочие виды разрушения тоннелей составляют 15,6 %.
Наличие перечисленных водопроводящих дефектов связано с изначальной неплотностью обделок (таблица 2)[4].
Вид дефектов и характер их расположения в значительной степени определяется конструктивными особенностями и материалом обделки.
Таблица 2
Диаметр тоннеля. Материал обделки Среднее значение коэффициента фильтрации Кл 10'6, м/сут
вчерне, м в свету, м первичной вторичной
1,80 - Ж-б кольца Железобетон 10,3
2,10 1,62 Керамические блоки Железобетон 30,0
У 56 1,8 - 2,0 Ж-б блоки Торкрет-бетон 36,0
2,80 - Ж-б кольца Железобетон 11.0
3,60 1,45 Ж-б блоки Железобетон 27,0
3.86 Ж-б кольца Железобетон 25,6
Например, применение железобетонных колец вместо железобетонных блоков в 2,5 - 4 раза повышает защитные функции несущих конструкций против экофильтрации. Применение монолитных обделок является более эффективным, так как разрушения обделок в основном приурочены к зоне технологических швов. Однако при возведении монолитных обделок необходимо учитывать, что качество бетона и
технологии его укладки должны быть таковым, чтобы обделки на протяжении всего сооружения имели водопроницаемость, исключающую фи-льтрацию через них зараженных сточных вод в окружающую среду и инфильтрацию подземных вод в сооружение. Такое явление наступает при миграции влаги через обделку за счет тепломассопе-реноса при коэффициенте фильтрации обделки, не превышающем 0,34 10 5 м/ч. В
ТИП ОБДЕЛКИ С Р О К С Л У Ж К Ы К О Л Л Е к Т о Р а, лет
первичные вторичные 0-3 3-6 6-9 9-12 12 - 16 15-18 18-21 21-24
% к общему числу эксплуатационных тоннелей
Ж-б трубы Железобетон 1,11 8,07 2,74 5,09 0,37 5,54 7,02 4,83 '
Ж-б кольца Железобетон 0,72 039 - 0,25 0,81 004 0,38 1,74 - 0.63
Ж-б блоки Железобетон 6,57 0,54 112 0,03 10,55 22 ^2 3.14 1,02 0.46 - 0,05
Керамические блоки Ж-б скорлупа - - - 0,47 009 - - 2,66 0,97 -
Керамические Железобетон - - 1.79 0,06 0,91 - 1,82 1,44 -
Кирпичная кладка СРОК С Л У ЖБЫ КОЛЛЕКТОРА
33-36 36-3 9 39 - 59 59-62 62-65 65-68
| % к общему числу эксплуатируемых тоннелей
2,86 0,51 0,51 - 6,57 0,4 - 7,23
1РИМЕЧАНИЯ: * В числителе - % обделок данного возраста, в знаменателе - % обделок, вышедших из строя
нас тоящее время монолитные бетонные обделки не отвечают этому требованию, в результате чего вмещающая тоннель среда подвергается экологически вредному воздействию.
Материал несущих конструкций играет существенную роль в надежности и долговечности тоннельных сооружений (таблица 3). Долговечность тоннелей с железобетонной обделкой находится в пределах 2-22 лет, причем большая часть тоннелей выходит из строя в первые годы эксплуатации. Затем положение стабилизируется. Тоннели, крепленые керамическими блоками, обладают большей устойчивостью к возникновению и развитию дефектов. Однако в возрасте около 20 лег они разрушаются, что объясняется недостаточной несущей способностью керамики, особенно в обводненных условиях.
Коллекторы, крепленые кирпичем, служат без отказа от 33 до 68 лет. Во всех случаях выход из строя по фактору водопроницаемости 20% площади развертки внутренней поверхности тоннеля делает невозможной дальнейшую его эксплуатацию, хотя в целом несущие конструкции сохраняют устойчивость и необходимую прочность.
Следовательно, пути предотвращения появления и развития дефектов в несущих конструкциях подземных сооружениях, а, следовательно, и пути повышения экологической надежности городских подземных
объектов должны основываться на коренном пересмотре материалов для возведения обделок, создания новых несущих конструкций с минимальным количеством технологических швов, разработке новых решений в области гидроизоляции тоннелей и задействования физико-химических, прочностных, теплообменных и других свойств вмещающего подземное сооружение массива горных пород с целью создания монолитной системы “породный массив - несущие конструкции”.
1. Материалы технических осмотров II очереди Краснопресненской линии Московского метрополитена. Перегоны “Щукинская” - “Тушинская”, “Тушинс-кая” - “Сходненская”. - МПС СССР ГУ Метрополитенов, ТИИС, 1961
2. Материалы технических осмотров Калининского радиуса Московского метрополитена. -МПС СССР ГУ Метрополитенов, 1981
3. Куликов Ю.Н. Повышение надежности и долговечности коллекторных тоннелей // Сб. научн. тр. “Строитель-ство подземных сооружений” - М.: МГИ, 1984
4. Куликов Ю.Н., Куликова Е.Ю. Пути повышения экологической надежности обделок городских коммунальных тоннелей. М.: МГГУ Неделя горняка, 1997
5. Куликова Е. Ю. Исследование фильтрационной надежности несущих и ограждающих конструкций подземных сооружений. М.: МГИ, автореферат на соиск.уч. степ, к.т.н 1992.
© Ю.Н. Куликов, Е.Ю. Куликова
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
