CC BY
13
- © Е.Ю. Куликова, 2014
УДК 69.035.4
Е.Ю. Куликова
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ И ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ВО ВТОРИЧНОЙ ОБДЕЛКЕ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Представлена методика, позволяющая на основе комплексных исследований прочностных и фильтрационных характеристик вторичной обделки подземных сооружений решить задачи выявления условий образования дефектов в их несущих конструкциях и наметить мероприятия по повышению качества вторичных бетонных обделок.
Ключевые слова: прочность, фильтрация, вторичная обделка, надежность, распределение, математическая статистика.
Точечный характер сведений о физико-механических параметрах вторичных обделок коллекторных тоннелей и других выработок, закрепленных бетоном, не дает полного представления о расположении ослабленных и разуплотненных зон и, следовательно, не позволяет спрогнозировать кинетику отказов, межремонтные периоды, долговечность и надежность бетонных обделок подземных сооружений. Построение изолиний на базе площадного освидетельствования позволяет решить указанную задачу. Для этой цели методически правильным является построение изолиний равных прочностей по полной развертке изучаемого участка тоннеля, что соответствует первому этапу исследований [7].
Расположение датчиков при сейс-моакустическом обследовании вто-
Рис. 1. Схема расположения датчиков при сейсмоакустическом обследовании
ричных обделок показано на рис. 1. Датчики располагались на уровне сводовой части, по бокам и лотковой части, причем на каждом уровне они располагались по одной линии вдоль оси выработки на равных расстояниях - 1 м друг от друга.
В каждом тоннеле был выбран участок длиной 15 м с четкой фиксацией расположения технологических швов между заходками бетонирования. С учетом результатов исследования [1] нулевая линия, разграничивающая левую и правую стороны выработки, приняты по центральной оси лотка тоннеля. Расположение датчиков по внутренней окружности вторичной обделки обеспечивалось на равном расстоянии. Таким образом, каждый исследуемый участок имеет равномерно распределенную сетку базовых точек, которая позволяет методами, принятыми в картографии, построить изолинии равных прочностей и фильтрационных показателей.
Определение положения изолиний позволило построение графика изменения прочностных показателей обделок подземных сооружений и выявить их зависимость от диаметра тоннелей (высоты полуразвертки), класса бетона обделки, участка поперечного сечения (посередине заходки или в
Таблица 1
№ п/п Наименование коллекторного тоннеля Диаметр тоннеля в свету, м Толщина вторичной облелки, м Класс бетона Возраст бетона, сут Длина захолки, м Тип опалубки Способ укладки бетонной смеси за опалубку Состав бетона
1. Канализационный коллектор Курьяновской станции аэрации 4,0 0,2 В 40 31 5 Металлическая передвижная Бетононасосом «Штеттер» 1
2. Канализационный тоннель в районе «Фили» - «Шелепиха» 3,6 0,2 В 40 28 5 Металлическая передвижная Бетононасосом «Штеттер» 1
3. Теплосеть на Волочаевской улице 3,6 0,2 В 55 30 4 Деревянная Ручная 2
4. Канализационный тоннель в районе «Фили» - «Шелепиха» 2,56 0,2 В 55 28 5 Деревянная Ручная 2
5. Канализационный тоннель на Бутырском хуторе 2,00 0,2 В 55 34 3,5 Деревянная Ручная 2
Таблица 2
Тоннели по табл. 1 Класс бетона Элемент крепи Средняя прочность в% от К28, МПа Средний коэффициент фильтрации, раз от Кф =110"8 см/с
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
№ 1, 2 В 40 «целик» 97 90 84 85 79 81 80 78 77 73 73 73 1 1,1 1,2 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,9 1,9 2 2
шов 97 90 84 84 82 81 77 71 77 76 69 71 1 1,1 1,3 1,5 1,7 1,8 1,9 1,9 2,2 2,1 2 3
№ 3, 4, 5 В 55 «целик» 96 85 80 74 67 66 62 59 65 56 - - 1,3 1,5 1,7 2 2,1 2,2 2,4 3,1 3,2 3,4 - -
шов 89 76 65 63 68 67 67 59 60 59 - - 1,3 1,4 2,4 3,3 2,9 3,1 3,7 3,5 3,2 3,6 - -
Рис. 2. Изолинии прочностных показателей для тоннеля № 1
(D = 4,0 м, бетон класса В 40, длина заход-ки бетонирования 5 м, механизированная укладка бетононасосом «Штеттер»)
зоне технологического шва) и др. Полученные данные по сечению тоннеля представляют собой статистическую совокупность, которая позволяет найти закономерность изменения характеристик вторичной обделки. Обработка данных производилась апробированными методами прикладной математической статистики [2]-[4].
Результаты изучения топографии прочности вторичных обделок по внутренней развертке участков коллекторных тоннелей длиной 15 м представлены на рис. 2-6. Нумерация тоннелей соответствует их нумерации в табл. 1, 2.
Из анализа указанных рисунков следует [7], [8]:
• прочностные показатели вторичных бетонных обделок существенно
Рис. 3. Изолинии прочностныш показателей для тоннеля № 2
^ = 3,6 м, бетон класса В 40, длина заход-ки бетонирования 5 м, механизированная укладка бетононасосом «Штеттер»)
Рис. 4. Изолинии прочностныгх показателей для тоннеля № 3
(0 = 3,6 м, бетон класса В 55, длина заходки бетонирования 4 м, ручная укладка)
телей для тоннеля № 4
(О = 2,56 м, бетон класса В 55, длина заход-ки бетонирования 5 м, ручная укладка)
Рис. 6. Изолинии прочностных показателей для тоннеля № 5
(О = 2,0 м, бетон класса В 55, длина заходки бетонирования 3,5 м, ручная укладка)
различаются в сводовой, боковой и лотковой частях тоннеля. Так, прочность бетона в сводовой части составляет 65-70% от прочности бетона лотковой части. Подобное состояние характерно как для вторичных обделок, возведенных механизированным способом (с применением бетононасосов и металлических передвижных и
скользящих опалубок), так и для вторичных обделок, возводимых вручную;
• прочностные показатели вторичных бетонных обделок, приуроченные к технологическим швам (на границе заходок) также значительно разняться по сравнению с аналогичными показателями в основной части заходки («целика»);
• четко прослеживается понижение прочности бетона обделок вдоль технологического шва, однако при приближении к лотку прочности зоны заходки и «зоны шва» уравниваются.
Фильтрационная характеристика бетона наиболее чувствительна к изменениям свойств бетона. Исследование распределения этой характеристики может служить ответом на вопрос об ожидаемых отказах на данном участке вторичной бетонной обделки подземного сооружения. Для решения этих вопросов для каждого из рассматриваемых тоннелей были построены графики изменения рассматриваемых показателей по поперечному сечению тоннеля (рис. 7-11).
При сопоставлении графиков брались показатели прочности поперечных сечений по линиям середин за-ходки и технологических швов.
Анализ полученных зависимостей подтверждает снижение прочности бетона обделок от лотка к своду. Падение показателей при механизированной укладке бетонных смесей меньше, чем при ручной.
Так, при механизированной укладке прочность бетона в своде уменьшается в среднем на 20-30% по сравнению с прочностью в лотке, а при ручной - на 35-40%.
Закономерность изменения прочности в середине «заходки» и в «зоне шва» имеет практически однотипный характер, хотя показатели «зоны шва» имеют более низкие значения. В подавляющем большинстве случаев в сводовой части сечения тоннеля наб-
Рис. 7. Изменение Рис. 8. Изменение прочности для тон- прочности для тоннеля № 1: D = 4,0 м, неля № 2: D = 3,6 м,
бетон класса В 40, ме- бетон класса В 40, механизированная уклад- ханизированная укладка, L = 5 м, Т = 31 день ка, L = 5 м
Рис. 1 1 . Изменение прочности для тоннеля № 5: D = 2,0 м, бетон класса В 55, ручная укладка, L = 3,5 м, Т = 340 дней
Рис. 9. Изменение Рис. 10. Изменение прочности для тон- прочности для тоннеля № 3: D = 3,6 м, неля № 4: D = 2,56 м, бетон класса В 55, руч- бетон класса В 55, ручная укладка, L = 4 м ная укладка, L = 5 м, Т = 28 дней
пунктирной линией указаны зоны швов, сплошной - середина заходки
людается самое сильное снижение показателей прочности «зоны шва» по сравнению с лотковой частью, где эти показатели часто совпадают.
Высота развертки (диаметр тоннеля) на изменение показателей не оказывает особого влияния при условии, что укладка бетонных смесей производится в соответствии с одной и той же технологией и бетон обладает тем же классом по прочности.
С учетом мнения других авторов [1], [5], [6], [7], исследовавших гидроизоляционные свойства тоннельных бетонных обделок в настоящей работе были исследованы величины прочностных показателей в «целике» и в «зоне шва» вторичной бетонной об-
Таблица 3
Коллекторные тоннели в соответствии с Приложением 1 Способ укладки бетонной смеси Класс бетона Физико-механические свойства бетона от лотка до свода (в соответствии с разверткой)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Прочность бетона*
№ 1, № 2 Механизированный («Штепер») В 40 33,9 33,2 31,6 30,6 30,9 33,0 29,5 32,7 29,2 30,4 28,1 30,7 27,4 29,1 26,8 28,5 26,5 27,0 25,8 26,7 25,4 25,7 25,4 24,7
% потери прочности в зоне шва
+2 +3 -5,5 -8,5 -3,5 -7 -6 -9 -0,5 -3 -2,5 +3
№ 3, № 4, № 5 Ручной В 55 Прочность бетона*
35,7 35,5 30,3 31,9 25,8 30,8 25,3 31,2 27,1 29,8 26,6 31,7 26,9 25,8 22,6 26,3 23,8 24,1 23,6 22,5 - -
% потери прочности в зоне шва
0 -5 -16 -19 -9 -16 +4 -14 -1 +5
№ 1, № 2 Механизированный («Штеттер») В 40 Водопроницаемость бетона, Кф-10~8, см/с **
1,1 0,98 1,3 1,3 1,3 1,2 1,54 1,56 1,8 1,5 1,9 1,4 1,9 1,5 1,9 1,5 1,9 1,7 2,1 1,8 2,4 2,1 2,4 2,0
% увеличения проницаемости в зоне шва
13 0 11 -1 18 35 28 28 12 15 14 12
№ 3, № 4, № 5 Ручной В 55 Водопроницаемость бетона, Кф-10~8, см/с **
1,3 1,3 1.4 2.5 2,4 1,7 3,3 2,0 2,9 2,2 3,1 2,4 3,7 2,6 3,5 2,9 3,2 3,1 3,6 3,4 - -
% увеличения проницаемости в зоне шва
-40 40 71 34 30 38 22 3 6
Примечание: * в числителе - прочность «зоны шва», в знаменателе - прочность в «целике»;
** в числителе - водопроницаемость в «зоне шва»; в знаменателе - водопроницаемость в «целике».
делки коллекторных тоннелей для выявления причин неудовлетворительного состояния монолитных бетонных обделок на участках, приуроченных к технологическим швам.
Результаты исследований приведены в табл. 3.
Данные табл. 3 доказывают, что показатели прочности в «зоне шва» незначительно отличаются от прочности бетона в середине заходки (в «целике»). При механизированной укладке бетонных смесей уменьшение прочности бетонной вторичной обделки «зоны шва» по сравнению с «целиком» не превышает 3-9% (по высоте - 2030%), а при ручной - 5-20% (по высоте - 35-40%). «Зона шва» имеет небольшую ширину, однако достаточно ослабленные участки по окружности обделки зачастую не только охватывают бока тоннеля, но и проникают в лотковую часть.
Таким образом, напрашивается вывод о сравнительно незначительных изменениях физико-механических свойств бетона обделок в «зонах шва» по сравнению с «целиком», а, следо-
вательно, и неверной оценке влияния проницаемости зоны технологических швов на гидроизоляционные свойства обделки. Возможные протечки воды по собственно технологическому шву могут быть легко ликвидированы применением бетонов с добавками, установкой шпона-уплотнителя или за счет скоростного бетонирования вторичной обделки с разрывом между бетонированием смежных заходок не более 12-24 часов [7], [8].
Неизмеримо большую опасность для гидроизоляционных свойств вторичной бетонной обделки коллекторных тоннелей представляет неизбежно возникающая разница в физико-механических свойствах по высоте выработки.
Правильное теоретическое осмысление последнего явления, на наш взгляд, может оказать ключевое влияние на совершенствование технологии возведения не только вторичных бетонных обделок коллекторных тоннелей, но и на технологию возведения всех видов бетонных обделок и крепей подземных сооружений.
1. Ярославцев Ю.П. Разработка технологии возведения вторичных обделок коллекторных тоннелей, обеспечивающей повышение срока их службы. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МГИ, 1985.
2. Леонтьев Н.Л. Техника статистических вычислений. - М.: Госбумиздат, 1961. - 232 с.
3. Лукомский Я.И. Теория корреляции и ее применение к анализу производства. - М.: Госстандарт, 1965.
4. Успенский А.К. Выбор вида и нахождение параметров эмпирической формулы. -М.: МГЭИ, 1960.
5. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Брус-сер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. - М.: Стройиздат, 1979.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ _
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Нгуен Суань Мань. Разработка технологии возведения монолитных бетонных обделок гидротехнических тоннелей, обеспечивающих их долговечность. - Автореферат на соиск. уч. степени к.т.н. - М.: МГИ, 1991.
7. Куликов Ю.Н. Материалы конструкций подземных сооружений. Минеральные вяжущие и бетоны. - Уч. пособие. - М.: МГИ, 1983. - 52 с.
8. Куликова Е.Ю. Оценка условий работы бетонных обделок канализационных коллекторных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. -№ 8. - С. 21-28. (¡233
Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 69.035.4
DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF STRENGTH AND WATER RESISTANCE IN THE SECONDARY LINING OF SEWER TUNNELS
Kulikova E.Yu., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: ud@msmu.ru.
The article presents a methodology based on comprehensive studies of the strength and filtration characteristics of secondary lining of underground structures to solve the problem to identify the conditions of formation of defects in their supporting structures and identify measures to improve the quality of secondary concrete lining.
Key words: strength, filtering, secondary lining, reliability, distribution, mathematical statistics.
REFERENCES
1. Jaroslavcev Ju.P. Razrabotka tehnologii vozvedenija vtorichnyh obdelok kollektornyh tonnelej, obe-spechivajushhej povyshenie sroka ih sluzhby (Development of technologies for the construction of secondary lining for sewer tunnels, providing increase of their service life), Candidate's thesis, Moscow, MGI, 1985.
2. Leont'ev N.L. Tehnika statisticheskih vychislenij (Technique of statistical calculations), Moscow, Gos-bumizdat, 1961, 232 p.
3. Lukomskij Ja.I. Teorija korreljacii i ee primenenie k analizu proizvodstva (Theory of correlation and its application to analysis of production), Moscow, Gosstandart, 1965.
4. Uspenskij A.K. Vybor vida i nahozhdenie parametrov jempiricheskoj formuly (Selection of the empirical formula type), Moscow, MGJel, 1960.
5. Shejkin A.E., Chehovskij Ju.V., Brusser M.I. Struktura i svojstva cementnyh betonov (Cement concretes structure and properties), Moscow, Strojizdat, 1979.
6. Nguen Suan' Man'. Razrabotka tehnologii vozvedenija monolitnyh betonnyh obdelokgidrotehnicheskih tonnelej, obespechivajushhih ih dolgovechnost' (The technology of erection of monolithic concrete lining for hydraulic tunnels to ensure their durability), Candidate's thesis, Moscow, MGI, 1991.
7. Kulikov Ju.N. Materialy konstrukcij podzemnyh sooruzhenij. Mineral'nye vjazhushhie i betony. Uch. posobie (Materials for underground structures construction. Mineral binders and concretes. Educational aid), Moscow, MGI, 1983, 52 p.
8. Kulikova E.Ju. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2007, no 8, pp. 21-28.
РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА
Осуществленная мечта горного инженера
