CC BY
39
УДК 69.035.4 Т.В. Воронина
К ВОПРОСУ О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОММУНАЛЬНЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ СПОСОБОМ МИКРОТОННЕЛИРОВАНИЯ
Круглый стол
з общего объема сооружаемых подземных коммуникаций в России, составляющего около 200-250 км/год не менее 75-80 км/год приходится на Москву. Как показывают исследования, в малых и средних городах около 73 % коммунальных тоннелей имеют диаметр до 600 мм. В Москве эти объемы распределяются следующим образом: около 20 % относится к тоннелям, имеющим диаметр 2 м, 23 % - от 1 до 1,5 м, 45 % - от 0,5 до 0,8 м. Проходку такого количества тоннелей малого диаметра можно осуществить, применяя передовой метод микротоннелирования. Последний находит все большее применение в практике подземного строительства в городах, так как является экономически выгодным. Так, 1 п. м тоннеля, пройденного микрощитом, обходится приблизительно на 7000 руб. дешевле, чем сооруженного традиционным способом строительства. В строительном комплексе Москвы не менее 12 организаций занимаются микротоннелирова-нием, сооружая от 2,5 до 15000 п. м тоннелей в год каждая.
Подавляющее распространение микротоннелирования в подземном строительстве ставит перед городским хозяйством важный вопрос о надежности и долговечности коммунальных тоннелей, сооружаемых этим способом. Отсутствие (в связи с коротким сроком эксплуатации) статистических данных о коли-
честве и характере отказов сооружений, пройденных с применением микротоннелирования, не позволяет решать проблему традиционными методами теории надежности.
В этой связи на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт» предприняты попытки решения данной проблемы на базе анализа химикофизического взаимодействия материала продавливаемых труб с вмещающей и содержащейся в них средой с целью определения характера и времени появления опасных дефектов, исключающих дальнейшую эксплуатацию коммуникаций. На данном этапе исследований основное внимание было сосредоточено на использовании стальных и железобетонных труб. На следующем этапе предполагается проведение исследований долговечности полимербетонных, асбоцементных, керамических, полиэтиленовых и стеклопластиковых труб.
Такая очередность исследования принята на основе анализа удельного веса используемых труб при микротон-нелировании на современном этапе (рисунок) согласно которому удельный вес применения стальных труб находится в пределах 72 %, железобетонных - 24, 1 % и полимерных всех видов - 3,8 % [7].
При определении надежности и долговечности микротоннелей в период их эксплуатации были проанализированы основные факторы, действующие на об-
Класс бетона В 35 В 45 В 50
Нейтрализация защитного слоя 0,7 1,55 Нейтрализация на всю
на глубину, см глубину, до арматуры
делку микротоннеля. Эти факторы можно объединить в две группы [1].
Первая группа - это нагрузка и силы, в результате действия которых может возникнуть механическое прочностное разрушение обделки (горное и гидростатическое давление, давление от поверхностных объектов, сейсмическое воздействие, воздействие строительных нагрузок, нагрузки содержимого труб).
Вторая группа - это действие сил, вызывающих коррозию обделки под влиянием химического и биологического воздействия окружающей среды и условий эксплуатации (действие подземных вод, влияние минерализованных грунтов, перемещение по тоннелю больших масс фекальных жидкостей, вызывающих коррозионное разрушение обделки из-за возникающей газовой и биологической коррозии, механическое истирание лотковой части).
При этом принято во внимание, что при эксплуатации труб имеют место следующие виды контактов:
• контакт внутренней поверхности обделки с агрессивной средой самотечной хозяйственно-фекальной канализации;
• контакт с обделкой исключен (первичная обделка используется в качестве футляра для прокладки рабочих трубопроводов);
• контакт с внутренней поверхности обделки с неагрессивной средой (системы водоснабжения, стоков воды и т.п.).
Применительно к вышеизложенному, по известным закономерностям и разработкам, предложенным видными специалистами в области коррозии бетона, железобетона и металла, были просчитаны сроки эксплуатационной пригодности микротоннелей. В качестве граничных условий были приняты моменты возникновения угрозы разрушения элементов микротоннелей.
Предельным состоянием для железобетонных микротоннелей следует считать момент достижения полной карбонизации защитного слоя или нарушение пассивности арматуры в наиболее слабом месте. Предельное состояние металлических футляров микротоннелей наступает при изменении толщины конструкции в результате коррозии металла на определенной площади, которое приводит к смятию и последующему обру-
Глубинный показатель коррозии, мм/год. Скорость коррозии к, г/м 2 • год Коррозия стального футляра на глубину (мм) в зависимости от срока эксплуатации, лет:
1 мм 5 мм 8,8 мм (потеря несущей способности)
0,07 0,063 14,3 71,5 125,7
0,1 0,09 10 50 88
0,2 0,18 5 25 44
Таблица 3
Класс бетона В 35 В 40 В 45 В 50
Долговечность, лет 68 162 207,5 263
шению металлического футляра.
Граничные условия для железобетонных труб и стальных футляров определялись по методике расчета сплошных кольцевых обделок как кольцевых бес-шарнирных конструкций [3]. Нагрузки рассчитывались с учетом воздействия на трубы давления полного столба грунта в природном залегании (вертикальное и горизонтальное) при заложении до верха трубы равном 15 м, а также собственный вес трубы и транспортируемой жидкости.
В результате расчетов установлено: железобетонные обделки микротоннелей теряют свою несущую способность при нейтрализации защитного слоя на глубину, указанную в табл. 1.
Критерием потери несущей способности стальных футляров будет коррозия стенки металлической трубы стандартной толщины на глубину 8,8 мм.
В процессе исследования вопроса о сроке выхода из строя обделок микротоннелей, в соответствии с вышеприведенным критерием найдено, что при использовании металлических труб в качестве футляров имеет место электрохимическая коррозия (с наружной стороны трубопровода), обусловленная влажностью грунта [5].
Глубинный показатель коррозии в этом случае рассчитывается по формуле:
к•8760
П=
(1)
^ • 1000
где у -плотность стали равна 7,85
г/см 3= 7,8 5 -10-6 г/м3; 8760 - количество часов в году, к- скорость коррозии, которая вычисляется по формуле:
к =
Ад 8т
(2)
где Ад - изменение массы металла; Б- с
единицы поверхности (1 м2); т - единица времени (час, сутки, год).
Расчет по формуле (1), с привлечением данных о глубине коррозии стальных трубопроводов (Л = 0,1 -г 0,2 мм/год), позволил установить, что скорость коррозии составит 0,09 г/(м2-год) при П = 0,1 мм/год и 0,18 г/(м2-год) при П = 0,2 мм/год, соответственно.
Толщина футляра при микротонне-лировании составляет 10 мм. Опираясь на критерий потери несущей способности этим футляром (8,8 мм), получим данные о времени выхода футляров из строя. Полученные данные сведены в табл. 2.
Оценка технологически заданных сроков службы микротоннелей, крепленных железобетонными трубами, производилась по факторам выщелачивания, гидроабразивного истирания лотка и срокам выхода защитного слоя арматуры. Оценка производилась для бетонов труб класса В 35, В 40, В 45, В 50 и марок бетона во водонепроницаемости W6, W 10 и '12.
При определении сроков службы микротоннелей по фактору выщелачивания применялся расчет времени выщелачивания гидроокиси кальция Са (ОН) 2 из бетона обделки по формуле
[14]:
ц [СаОУсв Зр
і = 0,28-
НКфС
(3)
где Тсв — внутренний радиус обделки микротоннеля, м; Ц - расход цемента, кг/м 3 бетона; [СаО] - содержание окиси кальция в цементе составляет; ^ толщина обделки микротоннеля; Н-напор подземных вод; С- интенсивность выщелачивания извести водой; р- норма выщелачивания СаО до состояния разрушения; К ф - коэффициент фильтрации бетона, м/с.
Фильтрационную характеристику железобетонной обделки получали на основании формулы фильтрационного расхода через обделку микротоннеля:
К ф = 0,37 •■
ь • н
м/с
(4)
где тсв — внутренний радиус обделки
микротоннеля, м; ^ толщина обделки, м; Ь - длина рассматриваемого участка, м; Q- расход фильтрационной воды в единицу времени с единицы площади, л/ч.
Срок службы микротоннелей по фактору износа обосновывался на базе уравнений Ц.Е. Мирцхлавы [6]:
Н = Н0е-
(5)
где Н - толщина лотка с учетом истирания; Н0 - начальная толщина лотка; а - постоянная износа.
Одной из основных причин разрушения железобетонных обделок является нейтрализация бетона кислыми газами, которая особенно усиливается в насыщенной влагой среде, что актуально для коммунальных микротоннелей (влажность в них составляет более 95%) [2]. Поэтому также производили расчет по фактору карбонизации бетона. Глубину нейтрализации бетона углекислым газом определялась по фор-
муле:
х = А-\[Т,
(6)
где А = 2Р С0 ; Р' - эффективный ко-
эффициент диффузии углекислого газа в бетоне; х - толщина защитного слоя бетона; С0 - концентрация газа в воздухе в относительных единицах по объему; т - продолжительность карбонизации, с; т0 - реакционная емкость бетона по отношению к СО2. Если известно содержание СаО в цементе р и его степень карбонизации Г для бетонов, характерных для подземного строительства, то
т0 = 0,4 • / • р • Ц ,
3
где Ц- расход цемента в кг/м бетона.
Время т до момента полной нейтрализации защитного слоя бетона, вычисляли:
0,2 • I • р • Ц • х2
т = ■
(7)
т
0
Г
св
Получив данные о влиянии всех трех видов разрушающего воздействия на обделку микротоннелей, можно определить их средние сроки службы в совокупности, так как процессы выщелачивания, истирания и карбонизации идут практически параллельно.
Долговечность восстанавливаемых систем, к которым относятся и микротоннели, измеряют сроком их службы, т.е. календарной продолжительностью эксплуатации (включая возможные перерывы на ремонт) до разрушения. Определяя поток отказов по указанным выше факторам, и принимая значения коэффициента технического использования за показатель долговечности, получили величины технологически за-
1. Долговечность и защита конструкций от коррозии. Материалы международной конференции 25-27 мая 1999 г. - М.: 1999.
2. Защита от коррозии подземных сооружений. Труды научно-технической конференции, проходившей в Тбилиси с 18 по 20 декабря 1974 г. - Тбилиси: Мецниереба, 1976.
3. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений. - М.: МГГУ, 2001.
4. Куликов Ю.Н. Материалы конструкций подземных сооружений. Инструкция и методические указания.- М.: МГГУ, 1990.
данного срока службы железобетонных труб (долговечности).
Фактическая долговечность стальных футляров микротоннелей составила 84,8 года.
Из проведенного исследования следуют важные для практики микротонне-лирования выводы:
• для строительства микротоннелей, крепленых железобетонными трубами, нельзя применять изделия из бетона ниже класса В 40;
• стальные футляры должны быть изготовлены из стали с глубинным показателем коррозии менее 0,07 мм/год и скоростью коррозии не более 0,063 г/(м2год).
-------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Малахов А.И., Жуков А.П. Основы металловедения и теории коррозии.- М.: Высшая школа, 1978.
6. Отчет о научно-исследовательской работе «Обоснование продолжительности межремонтных периодов и нормативных сроков эксплуатации самотечных канализационных коллекторных тоннелей».- М.: МГИ, 19791980.
7. Вопросы безопасности водного хозяйства в мегаполисе. Материалы заседания «круглого стола» научно-технического конгресса по безопасности «Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов». - М., 2005.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Воронина Татьяна Владимировна - аспирантка кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Московский государственный горный университет.
