CC BY
17
© Ю.Н. Куликов, 2014
УДК 69.035.4 Ю.Н. Куликов
ОЦЕНКА ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ОБДЕЛКИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОТОЧНЫХ БЛОКОВ С ПОЛИМЕРНОЙ ФУТЕРОВКОЙ
Проведено исследование параметров водонепроницаемости обделок коллекторных тоннелей из высокоточных блоков с полимерной футеровкой. Дано сравнение получаемых показателей с аналогичными показателями традиционных железобетонных блочных обделок с вторичной рубашкой.
Ключевые слова: коллекторный тоннель, водоприток, коэффициент фильтрации, полимерная конструкция, вторичная обделка.
Приток в коллекторный тоннель, закрепленный высококачественными ж/б блоками, с заменой вторичной бетонной гидроизоляционной обделки покрытием на основе эпоксидных смол и гидроизоляцией стыков между блоками с помощью резинового вкладыша рассчитан по формуле
О =
2 %Ш
• 1п + ^ .-Я- + А.. Кпок Я ксб,0 Япок Кп и (1)
где Кпок - коэффициент фильтрации покрытия, м/сут; Kсбо - коэффициент фильтрации ж/б сборной обделки, м/сут; Кп - коэффициент фильтрации окружающих тоннель пород, м/сут; Ипок - наружный радиус зоны покрытия, м; Ио - внутренний радиус тоннеля, м; Й - наружный диаметр ж/б обделки, м; 21 - радиус влияния, м, согласно [2] для тоннеле диаметром 2-5 м величину 21 рекомендуется применять 200 м; Ь - длина исследуемого тоннеля, м; Н - действующий напор, м. вод. ст.
н = Не - Но (2)
где Не - максимальный напор грунтовых вод, м. вод. ст.; Н0 - напор внутри тоннеля, м.вод.ст.
Оценка предлагаемой конструкции обделки тоннеля на водонепроницаемость произведена на основании аналитических разработок Ломизе Г.М. и Нас-берге В.М. [1, 2].
Для сравнения были посчитаны возможные водопритоки в аналогичный тоннель старой конструкции, т.е. со вторичной бетонной гидроизоляционной обделкой (рубашкой). Расчет производили по формуле:
О =_2пШ_
О = 1 , Яб 1 , Я 1,2^
--1п — +--1п-+--1п —
Кб Я Кб.о Яб.н Кп Я (3)
где Кб - коэффициент фильтрации бетонной вторичной обделки, м/сут; Йбн -наружный радиус вторичной рубашки, м.
Анализ формул (1) и (3) показывают, что основное влияние на величину водопритока оказывают величины коэффициента фильтрации конструктивных элементов обделки и окружающего грунта. Поэтому одной из существенных задач исследования является нахождение этой характеристики для покрытия, бетон сборной ж/б обделки, с учетом проницаемости технологических швов в сборной обделке. Ниже приводятся результаты этого поиска.
1. Водонепроницаемость полимерного покрытия
Прямые сведения о коэффициенте фильтрации полимерных покрытий практически отсутствуют. Определение этой константы в лабораторных условиях не эффективны, поэтому ограничиваются сведениями о паропрони-цаемости [6] удельном водопоглощении материала [3], оценкой количества воды, прошедшей через данный рулонный, листовой и т.п. материал по ГОСТ 18956-73 [5], косвенной оценкой коэффициента фильтрации пористых сред [4]. В табл. 1 приводятся результаты обработки данных, полученных из источников [3, 6, 7].
Обработка исходных данных для табл. 1 производилась по известным законам гидравлики. Позиции 3 и 4 оценивались на основе зависимости между Кф и внутренней удельной поверхности пор, предложенной Ю.Н. Куликовым в результате обработки экспериментальных данных:
Кф =( а • 5 - 5.125 )• 10-5 , м/сут (4)
где а - коэффициент, равный 0,0004142; 5 - внутренняя удельная поверхность пор материалов, м2/м3.
Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что практически для видов полимеров, которые могут быть использованы для гидроизоляции подземных сооружений, коэффициент фильтрации не превышает 0,84-10-7 м/сут. В работе [8] установлено, что вязкостный водный поток через материалы имеет место если Кф более 3,48-10-5 - 3,48-10-4 м/сут. Капиллярный поток имеет границы Кф от 3,48-10-5 - 3,48-10-7 м/сут, а при Кф < 3,48-10-7 перенос влаги в материале возможен только за счет молекулярной диффузии. Куликова Е.Ю. в работе [9] установила, что при Кф = 0,84-10-7 м/сут и меньше перенос вла-
Таблица 1
№ п/п Наименование полимерного материала Использованные показатели Величина коэффициента фильтрации, м/сут Источник
Паропрони-цаемость, г-мм/см2 Испытанных по Внутренняя удельная поверхность пор, м2/м3
1 Эпоксидные смолы 11,88-10-5 27,72-10-5 - - 0,01-10-7 6
2 Полимерные покрытия полов «Антидаст» Н = 211 см. вод. ст. Р = 31,2 см2 0 = 0,022 см3 ст = 0,3 см 0,04-10-7 5
3 Поливинилхлорид ПВХ - - 200-300 <0,84-10-7 7
4 Полистирол УПС-804 - - 50-600 <0,84-10-7 7
Кш-105, м/сут / толщина шва, м Коэффициент сборной ж/б обделки Кф-10-5
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,003
К = 5, К = 9,5 ш 'б ' 1,96 2,0 2,05 2,1 2,2 2,3
Ксб.о =
ги осуществляется только за счет тепломассопереноса. На основании данных табл. 1 можно констатировать, что полимерные покрытия в тоннелях практически водонепроницаемы. Это особенно касается составов на эпоксидных смолах (поз 1, 2 табл. 1). Для расчетов по формуле (1) целесообразно использовать нижнюю границу возможного коэффициента для полимеров Кф = 0,84-10-7 м/сут.
2. Водонепроницаемость сборной железобетонной обделки
Ксбо оценивалась по формуле, предложенной Куликовой Е.Ю. [8], которая учитывает уровень водонепроницаемости самого ж/б блока, а также технологических швов, прилегающих к блоку.
В-Кб-¡с + Кш ■[(В + ¡с)-8 + 82]
(¡с + 8МВ + 8) (5)
где Кб - коэффициент фильтрации блока, м/сут; Кш - коэффициент фильтрации шва, м/сут; 8 - раскрытие шва, м; В - ширина сборного элемента обделки, м; 10 - высота элемента, м.
Для ныне применяемых в практике сборных ж/б обделок, при наименьшей водонепроницаемости шва раскрытия от 5 до 30. Найдено [9], что Кбетоб. равен (табл. 2).
Данные табл. 2 могут быть использованы для оценки фильтрационных свойств сборных ж/б обделок.
При оценке водонепроницаемости высокоточной (высококачественной) водонепроницаемой обделки тоннелепроходческого комплекса «ИЕН-НЕНКЫЕСИТ» диаметром в проходке Оп = 3,15 м и внутренним диаметром 2,75 м, толщиной 20 см состоящей из 6 блоков, изготавливаемый из тяжелого бетона класс В-45, на водонепроницаемость № = 12 и морозостойкости Б 100 было принято во внимание, что швы между блоками в кольце и между кольцами герметизируются с помощью высококачественных резиновых прокладок и, что особенно важно, заполняются материалом покрытия (эпоксидной смолой). Следовательно, проницаемость швов гарантирована на уровне тепломассопе-реноса. Поэтому за уровень водонепроницаемости обделки можно принять водонепроницаемость элементов обделки - класса Ш 12.
Согласно [2] класс бетона Ш 12 соответствует его коэффициенту фильтрации равному 0,07-10-5 м/сут. Эта характеристика и принята за расчетную Кф.сб.о. = 0,07-10-5 м/сут.
3. Водонепроницаемость вторичной обделки
Оценка по результатам натурных измерений, проведенных в МГГУ под руководством Куликова Ю.Н. и составляет (0,83-2,89)-10-5 м/сут.
При сравнении нового решения конструкции обделки коллекторных тоннелей с действующими в настоящий момент на практике принят оптимальный коэффициент фильтрации вторичной обделки (рубашки), равный 0,83-10-5 м/сут.
4. Приток в коллекторный тоннель
Новое решение рассчитывается на участок длиной L = 10 м (СНиП 3.05.0485, и 7,28 примечания 2). В соответствии с [15] характерное давлением грунтовых вод в зоне до 20 м от поверхности [12] может составлять 15 м вод. ст. (0,15 МПа), что и принято за величину Не. Максимальный напор внутри тоннеля Н0 можно принять по условию полного заполнения сечения тоннеля фекальными массами в канализационных тоннелях и Н0 = 2,8 м вод. ст. (0,028 МПа).
Коэффициент фильтрации песков и суглинков [12, 8] находится в пределах: для песков 13-15 м/сут, для суглинков 0,5-2,0 м/сут.
Сравнительные расчеты по формулам [1, 3] проведем для песков 1,5 м/сут. Как показали расчеты, практически отсутствует разница в показателях для песков и глин, поэтому результаты даются в общем виде.
В сводной табл. 3 приводится выше установленные фильтрационные параметры, взятые за основу при расчетах по формулам 1, 2 и 3.
Результаты расчетов приводятся в табл. 4.
Анализируя данные табл. 4 можно сделать вывод, что водоудерживающая способность новых конструкций обделки I в 3, 4 раза выше даже очень тщательно выполненной традиционной обделки со вторичным гидроизоляционным слоем из гидротехнического бетона (0,6 л < 2,03 л). При этом если старая хорошо выполненная обделка (II) при испытаниях может давать как минимум (СНиП3.05.04-85, п. 7.28) около 40% утечек от нормы, то доля утечки новой конструкции обделки для тех же испытаний снижается до 10%, т.е. в 4 раза.
Таблица 3
№ п/п Конструкция обделки Фильтрационные параметры
Несущая Гидроизоляционная Давление, м вод. ст. Коэффициент фильтрации, м/сут
Н Не Но Покрытия Сб. ж/б блоков Бетон вторичной обделки Грунта
I Высококач. блочная ж/б фирмы Херренкнехт Полимерное покрытие 12,2 15 2,7 0,84-10-7 0,07-10-5 14
II Ж/б блок Вторичная бетонная (рубашка) 12,2 15 2,7 2-10-5 0,83-10-5 14
Таблица 4
№ п/п Конструкция обделки Приток и утечки из выработки при 1 =10 м и за 0,5 часа Часть напора погашенного в ж/б обделке ф Действует на покрытие
несущая Гидроизоляционная м3 (л) q по СНиП 3.05.04-85 (л)
I Высококачественная ж/б обделка Полимерное покрытие 0,029 0,6 5,6 0,075 7,5% 0,925 92,5%
II Ж/б блок Вторичная обделка 0,097 2,03 5,6 - -
5. Герметичность тоннеля с новой обделкой при приемочном испытании Таким образом можно определить через объем добавленной воды (притока
воды) по формуле (2) (СНиП 3.05.04-85, п. 7.28 Примечание 2), умножая полученную величину на коэффициент 0,5. Такая величина коэффициента (а не 0,25, как следует из вышеизложенного) объясняется необходимостью учета несовершенства герметизирующих перемычек и других дефектов производства горно-строительных работ при испытаниях.
6. Адгезия покрытия имеет решающее значение для успешного использования вновь предложенной конструкции обделки. Согласно результатам испытаний покрытия на адгезию, последняя равняется 9 кг/см2. Таким образом доказано, что имеется достаточный запас прочности при давлении грунтовых вод, которые в условиях г. Москвы не превышает 1,5-2,5 кг/см2. Однако для полной и убедительной уверенности в том, что не произойдет отслоение покрытия по границе «покрытие - первичная обделка тоннеля» в сложных условиях, при более значительных напоров грунтовых вод была просчитана, как часть напора погашена ж/б блочной обделкой по формуле [2]:
. 1п ^
у — Ксб.о Кпок
—. 1п Кпо^ + —. 1п ^ +1. 1П-2-
Кпок К0 Ксб.о Кпок Кг Ксб.о (6)
Результаты расчета показывают (см. табл. 4), что сборная обделка гасит всего 7,5% напора грунтовых вод, тогда как 92,5% действует на контакт покрытия и бетона первичной обделки тоннеля. Из этого следует, что в предлагаемом варианте обделки отслоение может произойти только в случае, когда напор грунтовых вод превышает 9,7 кг/см2 или будет составлять 97-100 м водяного столба (0,97 МПа).
Размещение резиновой прокладки в сборной ж/ обделки логично приурочить к наружной, обращенной к грунту стороне блока. В противном случае вода под полным давлением беспрепятственно по стыковому шву достигает полимерного покрытия и образует очаги разрушения и отрыве со сложно устраняемыми последствиями.
1. Ломизе Г.М., Насберг В.М. Фильтрационные расчеты гидротехнических тоннелей / Известия ВНИИГ, т. 58. - Госэнерго-издат, 1958.
2. Указания по проектированию дренажа подземных гидротехнических сооружений ВСН045-72 МЭ и Э СССР. - М.: Главинж-проект, 1973. - 74 с.
3. Материалы общероссийской научно-практической конференции по бестраншейным технологиям. 21-22 ноября 2006 г. - М: РОБТ, 2006. - 109 с.
4. Назаренко Ю.Б. Исследования несущей способности конструкций и долговечности материала обделок напорных коллекторных тоннелей. - Автореферат дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М.: МГИ, 1978.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Конференция «Химические продукты для строительной продукции». - М., 1999.
6. Ли Х., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. - М.: Энергия. -1973. - С. 11.
7. Штефтель В.О., Катаева С.Е. Миграция вредных химических веществ из полимерных материалов. - М.: Химия, 1978. - 167 с.
8. Куликова Е.Ю. Фильтрационная надежность конструкций городских подземных сооружений. - М: Мир горной книги, 2007. - 316 с.
9. Куликова Е.Ю. Подземная геоэкология мегаполисов. - М.: Изд. МГГУ, 2005. - 479 с.
10. ГОСТ 18956-73. Материалы рулонные кровельные. Методы испытаний на старение под воздействием искусственных климатических факторов. - ВНИИНСМ.
11. Шилин А.А., Зайцев М.В., Золотарев И.А., Ляпидевская О.Б. Гидроизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте. - Тверь, 2003. -396 с.
12. Альбом РК 2419-06 Мосинжпроекта.
13. СНиП 3.05.03-85. Тепловые сети. Госстрой СССР. - М., 1986.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
14. СНиП 3.05.04-85. Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации. Госстрой СССР. - М., 1985.
15. Москва. Геология и город. - М.: Московские учебники и картографии, 1997. -399 с. ЕШЗ
Куликов Юрий Николаевич - профессор, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 69.035.4
RATING OF COLLECTOR TUNNELS WATERPROOF LINING WITH PRECISION UNITS AND POLYMERIC COATING
Kulickov Yu.N., Professor,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: ud@msmu.ru.
The article is devoted to the study of parameters of drainage tunnels waterproof lining with precision units and polymeric coating. A comparison of the obtained indices of the analogous parameters of the traditional concrete block lining with secondary «shirt» is given.
Key words: collector, water production, filtration coefficient, polydimensional design, the secondary lining.
REFERENCES
1. Lomize G.M., Nasberg V.M. Fil'tracionnye raschety gidrotehnicheskih tonnelej, Izvestija VNIIG, t. 58 (Filtration analysis of hydraulic tunnels. VNIIG's Bulletin, vol. 58), - Gosjenergoizdat, 1958.
2. Ukazanija po proektirovaniju drenazha podzemnyh gidrotehnicheskih sooruzhenij VSN045-72 MJe i Je SSSR (Guidelines for drainage design in waterworks. VSN045-72, USSR Ministry of Energy and Electrification), Moscow, Glavinzhproekt, 1973, 74 p.
3. Materialy obshherossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii po bestranshejnym tehnologijam (Proceedings of All-Russia Scientific and Practical Conference on Trenchless Technologies ), 21-22 November 2006, Moscow, ROBT, 2006, 109 p.
4. Nazarenko Ju.B. Issledovanija nesushhej sposobnosti konstrukcij i dolgovechnosti materiala obdelok napornyh kollektornyh tonnelej (Analysis of load-bearing capacity of structures and durability of lining materials in pressure collector tunnels), Candidate's thesis, Moscow, MGI, 1978.
5. Konferencija «Himicheskie produkty dlja stroitel'noj produkcii» (Conference on Chemical Products for Construction Manufacture), Moscow, 1999.
6. Li H., Nevill K. Spravochnoe rukovodstvo po jepoksidnym smolam (Reference guide on epoxy resins), Moscow, Jenergija, 1973. p. 11.
7. Shteftel' V.O., Kataeva S.E. Migracija vrednyh himicheskih veshhestv iz polimernyh materialov (Migration of noxious chemical agents from polymeric materials), Moscow, Himija, 1978, 167 p.
8. Kulikova E.Ju. Fil'tracionnaja nadezhnost' konstrukcij gorodskih podzemnyh sooruzhenij (Filtration reliability of municipal substructures), Moscow, Mir gornoj knigi, 2007, 316 p.
9. Kulikova E.Ju. Podzemnaja geojekologija megapolisov (Underground geoecology in megacities), Moscow, Izd. MGGU, 2005, 479 p.
10. Materialy rulonnye krovel'nye. Metody ispytanij na starenie pod vozdejstviem iskusstvennyh klimatich-eskih faktorov, GOST 18956-73 (Composition roofing. Methods of ageing testing under artificial climate factors, State Standart GOST 18956-73), VNIINSM.
11. Shilin A.A., Zajcev M.V., Zolotarev I.A., Ljapidevskaja O.B. Gidroizoljacija podzemnyh i zaglublennyh sooruzhenij pri stroitel'stve i remonte (Damp-proofing of underground and buried structures under building and repair), Tver, 2003, 396 p.
12. Al'bom RK 2419-06 Mosinzhproekta (Mosinzhproekt RK 2419-06 sketchbook).
13. Teplovye seti, SNiP 3.05.03-85, Gosstroj SSSR (Heating systems. Construction norms and regulations 3.05.03-85, USSR State Construction Committee), Moscow, 1986.
14. Naruzhnye seti i sooruzhenija vodosnabzhenija i kanalizacii, SNiP 3.05.04-85, Gosstroj SSSR (Water supply and sewerage public utilities. Construction norms and regulations 3.05.04-85, USSR State Construction Committee), Moscow, 1985.
15. Moskva. Geologija i gorod (Moscow. Geology and the city), Moscow, Moskovskie uchebniki i kar-tografii, 1997, 399 p.
