CC BY
41
СЕМИнАР 17 ........
ДОКЛАД НА СИМЕ оЗю ;^П1 -"’НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 101"________? т т т ▼ т т V_______
МОСКВА, МГГУ,I29 января - 2 февраля 2001 г.
азвитие крупных городов связано с расширением систем канализации и сооружением самотечных тоннельных коллекторов с глубиной заложения до нескольких десятков метров, как правило, пройденных с помощью проходческих щитов и имеющих круговое поперечное сечение. Такие тоннели составляют 80-85 % от общего объема эксплуатируемых коммунальных тоннелей городского хозяйства. Действующими в настоящее время нормативными документами срок службы таких сооружений установлен в 50 лет. В то же время, по данным Инженерного центра подземных сооружений "ИТЭП" (г.Тула) [1], полученным на основе анализа существующих норм проектирования и условий эксплуатации канализационных тоннелей, многие из них не обладают достаточной несущей способностью и выходят из строя значительно раньше проектных сроков, что влечет за собой существенный материальный ущерб и создает опасность загрязнения окружающей среды.
В настоящее время проблемой прогноза долговечности коллекторных тоннелей занимается ряд ведущих специалистов и научных организаций как в России, так и за рубежом. При этом в результате выполненных исследований установлено, что основной причиной аварий в коллекторных тоннелях является разрушение обделок вследствие коррозии бетона в высокоагрессивной газовой среде выше зеркала сточных вод, которая приводит к локальному уменьшению толщины обделки и снижению прочности бетона в ее сводовой части, и может с течением времени привести к потере несущей способности и обрушению конструкции. На основе большого объема лабораторных и натурных исследований, связанных с изучением механизма коррозии бетона обделок под влиянием канализационных стоков, в настоящее время получены достоверные данные, позволяющие прогнозировать вызываемое коррозией локальное уменьшение толщины обделки в сводовой части в процессе эксплуатации тоннеля [2, 3]. Так, было установлено, что в зависимости от уровня pH среды скорость коррозии бетона обделки может составлять до 2 см в год, а прочность бетона может снижаться до 7 % за год.
В Тульском государственном университете в течение ряда лет при финансовой поддержке Советом по грантам Президента РФ и государственной поддержке ведущих научных школ (грант № 00-1598522) проводятся научные исследования, связанные с разработкой теоретических методов прогноза снижения несущей способности обделок коллекторных тоннелей вследствие газовой коррозии бетона, позволяющих оценивать их долговечность и устанавливать сроки восстановительного ремонта.
В настоящее время разработаны математическая модель и аналитический метод, реализованный в виде компьютерной программы расчета и прогноза снижения несущей способности обделок коллекторных тоннелей как глубокого, так и мелкого заложения, подвергающихся коррозии в процессе эксплуатации, при действии гравитационных сил, давления подземных вод, внутреннего напора (для тоннелей ливневой канализации, работающих в период водосброса), веса зданий и сооружений, как возводимых вблизи уже построенного тоннеля, так и имевшихся на земной поверхности до сооружения тоннеля, и нагрузок от движущихся транспортных средств. С этой целью рассмотрен ряд плоских контактных задач теории упругости для весомой линейно-деформируемой бесконечной и полубесконечной среды, моделирующей массив пород, ослабленной круговым отверстием, подкрепленным кольцом переменной толщины, моделирующим обделку тоннеля, подверженную коррозии.
Общая схема для расчета обделки тоннеля неглубокого заложения приведена на рис. 1.
Здесь полубесконечная среда 50, ограниченная прямолинейной границей ¿0 и контуром ¿0 кругового отверстия радиуса R0, расположенного на глубине Н, моделирует массив пород, деформационные свойства которого характеризуются модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона у0. Кольцо переменной толщины 51, материал которого имеет деформационные характеристики Е1, у1, моделирует обделку тоннеля, подверженную коррозии, А - толщина обделки в своде.
Среда 50 и кольцо 51 деформируются совместно, т.е. на линии контакта ¿0 выполняются условия непрерывности векторов смещений и полных напряжений. Внутренний контур Ь1 кольца свободен от действия внешних сил, либо нагружен нормальным давлением, моделирующим вес заполняющей тоннель жидкости.
Действие собственного веса пород (задача 1) моделируется наличием в среде 50 начальных напряжений, линейно изменяющихся по глубине, определяемых формулами:
40)(0) =-^Г(Н - у)а
а
(0)(0) =
у
= -у(Н - у)а
40)(О)=о,
(1)
Рис. 2. Максимальные сжимающие (сплошные линии) и растягивающие (пунктирные линии) напряжения на внутреннем контуре (а) и соответствующие им напряжения на внешнем контуре (б) обделки
Рис. 3. Зависимости коэффициентов запаса прочности от времени: 1 - при Е0 /Е1 =0,005; 2 - при Е0 / Е1 =0,01; 3- при Е0 / Е1 =0,05
где у - удельный вес пород, Н - глубина заложения выработки, X - коэффициент бокового давления пород в ненарушенном массиве, а* - корректирующий множитель, введенный для учета отставания сооружаемой обделки от забоя тоннеля и определяющийся на основе численного анализа пространственной осесимметричной задачи или по эмпирической формуле, содержащейся в нормативнотехнических документах.
Действие давления подземных вод (задача 2) с уровнем Н„ > R0 , отсчитываемым от оси тоннеля (рис. 1), моделируется наличием в среде 50 начальных напряжений
г(0)(0) _ CT(0)(0) _
У
_ ~Tw (Hw - у ), 40)(О) = 0
(2)
где у„ - удельный вес воды.
Действие давления жидкости, заполняющей тоннель (рассматривается наиболее опасный напорный режим работы тоннеля в период водосброса), моделируется наличием на внутреннем контуре нормальной нагрузки - р (задача 3), распределенной по закону
p _ p0 + Y'w (R0 - А - у) ;
(3)
где ро - величина внутреннего напора, второе слагаемое отражает вес жидкости, заполняющей тоннель без напора (Y'w - удельный вес жидкости).
Действие веса заданий и сооружений на поверхности (задача 4) моделируется наличием на участке ао < x < bo прямолинейной границы L©o равномерно распределенной нагрузки интенсивностью - P . При этом рассматриваются два случая, когда здание возводится вблизи существующего тоннеля (задача 4, а) и когда тоннель проводится под имеющимся на поверхности зданием (задача 4, б). В последнем случае смещения, вызываемые нагрузкой до образования отверстия, исключаются из граничного условия, отражающего непрерывность векторов смещений на контуре L0 .
В случае действия собственного веса пород или давления подземных вод (задачи 1, 2) полные напряжения в среде So представляются в виде сумм начальных напряжений (1) или (2) и дополнительных, обусловленных наличием отверстия. Смещения рассматриваются только дополнительные.
Решение поставленных контактных задач строится на основе предложенного И.Г. Арамановичем аналитического продолжения комплексных потенциалов, регулярных в области S0 (нижней полуплоскости с отверстием),
в верхнюю полуплоскость So через прямолинейную границу L0, осуществляемого с помощью введения новых функций . Это позволяет, следуя пути, предложенному Н.Н. Фотиевой [4], свести решение каждой из рассматриваемых задач к случаю бесконечной плоскости
Рис. 1. Схема для расчета обделки коллекторного тоннеля, подвергающейся газовой коррозии в процессе эксплуатации
50 + Яд, ослабленной круговым отверстием, подкрепленным кольцом переменной толщины, при граничных условиях на контуре ¿0, содержащих дополнительные члены, представляемые в форме рядов с комплексными коэффициентами. Таким образом, решение сводится к итерационному процессу, при рассмотрении в каждом приближении соответствующей задачи для кругового концентрического кольца в полной плоскости с граничными условиями, содержащими две группы дополнительных членов, первая из которых отражает отличие внутреннего контура от кругового, а вторая - влияние границы полуплоскости.
После завершения итерационного процесса (в качестве критерия окончания которого принимается отличие искомых коэффициентов разложений комплексных потенциалов в последующей и предыдущей итерациях, не превышающее 10-6) напряжения в кольце, моделирующем обделку, находятся с использованием формул Колосова -Мусхелишвили, а в полуплоскости, моделирующей массив пород, - с использованием формул И.Г. Араманови-ча.
На основе полученных решений контактных задач разработан метод определения напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей мелкого заложения с учетом локального уменьшения толщины конструкции вследствие газовой коррозии бетона при действии собственного веса пород, внешнего давления подземных вод, внутреннего напора, веса зданий и сооружений и нагрузок от подвижного транспорта.
Для оценки снижения несущей способности обделок в процессе эксплуатации путем выполнения многовариантных расчетов с учетом увеличивающихся с течением времени размеров нарушенной зоны обделки устанавливается, при какой остаточной толщине перестают удовлетворяться условия прочности сечений конструкции и возможно ее обрушение, что позволяет, имея экспериментально установленные зависимости уменьшения толщины обделки и снижения прочности бетона от времени, осуществлять прогноз долговечности сооружения.
С этой целью определяется коэффициент запаса прочности конструкции к„ по формуле
(
ks _ min
Л
R
bc
R.
bt
R.
bc
R
bt
CT
(in)c
(in)t
0max
CT
CT
N(in)c
*(in)t
0max
CT
(4)
где Яьс, - расчетные сопротивления бетона сжатию и
* *
растяжению, ЯЬс - прочность бетона в зоне коррозионного разрушения на рассматриваемый момент времени;
(in)c
T(in)t в max
- соответственно максимальные
сжимающие (отри-цательные) и растягивающие (положительные) нормальные тангенциальные напряжения в обделке вне зоны коррозионного разрушения;
*(n)c
*(n)t
- максимальные сжимающие и раси max 1
тягивающие напряжения в точках сводовой части внутреннего контура поперечного сечения обделки (в области коррозионного разрушения).
Далее, построив зависимость коэффициента запаса S0
от времени, можно определить срок, в течение которого обделка обладает достаточной несущей способностью (с требуемым коэффициентом запаса прочности).
При моделировании нагрузок на поверхности, обусловленных движущимся транспортом в перпендикулярном оси тоннеля направлении, следуя принципам, предложенным проф. Н.Н. Фотиевой, рассматриваются максимальные напряжения, возникающие в каждом сечении конструкции за все время движения транспортного средства, для чего строятся две огибающие эпюры напряжений (сжимающих и растягивающих) по результатам многовариантных расчетов (решений задач 4, б) при различном расположении нагрузки относительно
оси тоннеля. При этом с целью учета динамического характера приложения нагрузки результаты расчета умножаются на коэффициент динамичности к , зависящий от скорости движения транспортного средства и деформационных характеристик пород [4].
Ниже в качестве примера приводятся результаты расчета бетонной обделки коллекторного тоннеля на совместное действие собственного веса пород и нагрузки от колесных транспортных средств типа НК-80. Принимались следующие исходные данные: Щ = 1,25 м; Е0 = 150 МПа, у0 =
0,3; Е1 = 30000 МПа, VI = 0,2, у = 24 КН/м3; X = 0,8; а* = 1,
начальная толщина обделки А=15 см. Глубина заложения тоннеля Н =3,5 м. Учитывалось, что вследствие локального уменьшения толщины обделки внутренний контур ее поперечного сечения выше уровня сточных вод, совпадающего с горизонтальным диаметром, приобретает эллиптическую форму, в результате чего остаточная толщина в своде составляет 5 см. Начальная прочность бетона
Яьс = 40 МПа. На рис. 2 даны эпюры максимальных сжимающих (сплошные линии) и растягивающих (пунктирные линии) нормальных тангенциальных напряжений
О0П) на внутреннем контуре обделки (рис. 2, а) и соответствующих им напряжений на внешнем контуре
обделки (рис.2, б).
Зависимости коэффициента запаса прочности обделки от времени (при = 0.07Я^с) приведены на
рис. 3, где кривые 1, 2, 3 соответствуют отношениям модулей деформации Е0/ Е1 = 0,005, 0,01; 0,05).
В заключением отметим, что разработанный метод прогноза снижения несущей способности обделок коллекторных тоннелей вследствие газовой коррозии бетона апробирован при анализе причин аварии главного коллектора АО КАМАЗ и г. Набережные Челны. Полученные результаты полностью совпадают с выводами специальной комиссии [1], проводившей обсле-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бессолов П.П. Основные причины аварийного состояния главного коллектора АО КАМАЗ в г. Набережные Челны // Подземное пространство мира. - 1993. - № 5-6. - С. 28-31.
2. Васильев В.М. К вопросу о на-
дежности канализационных коллекторов глубокого заложения // Подземное
пространство мира. - № 5-6. - 1993. -С. 32-33.
3. Власов С.Н. Строительство транспортных тоннелей в условиях агрессивного воздействия окружающей среды. М.: Информационно-
издательский центр "ТИМР". - 1996. -94 с.
4. N.N. Fotieva, N.S. Bulychev, A.S. Sammal Designing shallow tunnel linings upon the action of moving surface loads. Proc. of the Int. Symp. on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground - IS-Tokyo’99, Tokyo / Japan/19-21 July 1999 / Balkema, 2000, p. 369-372.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
«
's. Саммаль Т.Г. — Тульский государственный университет.
LJ
