Термодинамические процессы при строительстве и эксплуатации городских подземных сооружений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 11

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2000”

МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года

III 11111^^

IIII ^ Е.Ю. Куликова, 2000

У УДК 536:624.1

!! Е.Ю. Куликова

! | ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Г ОРОДСКИХ"I 1ОДЗЕмПЫ1Х СООРУ^ЖсНИЙ"

Основной целью выбора мероприятия инженерной защиты окружающей среды в условиях подземного строительства является изыскание комплексного воздействия как на породный массив, так и на несущие и ограждающие конструкции подземного объекта, и на перераспределяющиеся под влиянием техногенного вмешательства физические поля, прежде всего гравитационнотектоническое (напряжений), гидродинамическое, гидрогеохимическое, тепловое и сейсмическое.

Деформационные процессы при строительстве подземных сооружений неразрывно связаны с фильтрационными. Это особенно очевидно в городских условиях характеризующихся сложной гидрогеологической обстановкой. Поэтому при выборе мер инженерной защиты нельзя не учитывать характер изменения тепловых и влажностных полей в породном массиве, прилегающем к подземному объекту, а также характер протекания термодинамических процессов.

Процесс тепломассообмена между массивом горных пород и подземным сооружением складывается из взаимного теплового воздействия и развития потока флюидов в поро-вом пространстве массива. Контакт влажных пород с потоком воздуха в подземном сооружении приводит к миграции влаги по направлению к контуру сооружения, что вызывает осушение прилегающих пород и повышение влажности в подземном объекте. В процессе тепломассопереноса изменяются физико-механические свойства пород в результате их обводнения, осушения, промерзания, расклинивающего действия воды в трещинах, передаче теплового воздействия на дальние расстояния.

Влияние тепломассообмена в подземных сооружениях проявляется в следующем. Сочетание высокой температуры и влажности, повышение температуры стенок выработки вызывает в них и в окружающем породном массиве значительные температурные напряжения и деформации, кото-

Рис. 1. Схематическое изображение зоны иссушения

рые могут служить причинами дефектов в несущих конструкциях подземных сооружений. Поэтому регулирование температурных параметров позволяет уменьшить толщину обделки, что дает значительный экономический эффект.

Процесс теплообмена между вентиляционным воздухом и массивом горных пород происходит нестационарно, т.е. охлаждение (нагревание) породного массива распространяется на все

новые слои горных пород при непрерывном охлаждении (нагревании) слоев, которые были охвачены им ранее. Не остается постоянной и интенсивность охлаждения (нагре-вания) слоев данной зоны. Вокруг подземного сооружения образуется охлажденная (прогретая) зона, в пределах которой температура ниже (выше), чем за ее пределами. Размеры этой зоны зависят от разности температур неохлажденных пород и вентиляционной струи, времени охлаждения (нагревания) массива, теплофизических констант пород и размеров подземного сооружения. На участках охлажденной зоны происходит уменьшение внешнего диаметра обделки, которая, в этом случае, стремится к отрыву от окружающих пород и на их контакте возникают растягивающие напряжения. Если суммарная деформация больше предельной растяжимости бетона или породы, происходит отделение обделки от породы и обделка работает отдельно от массива. При нагревании происходит увеличение внешнего размера обделки, она стремится прижаться к породному массиву и поэтому всегда работает с ним совместно, даже если сцепления между ними не было. Закономерности распределения температур в несущих конструкциях подземных сооружений и породном массиве позволяют прогнозировать термонапряженное состояние выработок с различными схемами работы системы “обделка — породный массив”.

Температурные и влажностные параметры взаимосвязаны. Интенсивность их изменения в подземном сооружении в значительной степени определя-

Рис.2. Результат расчета плоской задачи:

1 - е„(1); 2 - ев(1); 3 - S(t)

£

1.Б

15

14

13

\2

Т.1

1.П

ются характером температурных и влажностных полей в окружающем породном массиве. Так, увеличение влажности грунта до 50% по сравнению с сухим ведет к росту теплопроводности в 8 раз, а увеличение теплопроводности в 3 раза приводит к возрастанию тепловых потерь на 30-70%.

Основными источниками поступления влаги в подземный объект являются влага, поступающая через обделку сооружения из вмещающего массива горных пород, а также влага, приносимая с вентиляционной струей воздуха. Количество влаги определяется температурой воздуха и окружающего массива горных пород и зависит от сезонных и суточных колебаний параметров атмосферного воздуха в данной местности. При движении воздушной струи по подземному сооружению изменяется ее влагосодержание за счет массоотдачи горных пород. Испарение влаги и увлажнение воздушной струи являются факторами, тормозящими повышение температуры воздуха в сооружении при увеличивающемся теплосодержании. С другой стороны, увеличение влажности воздуха в подземном сооружении, несущие конструкции которого выполнены из бетона, создает благоприятные условия для работы обделки.

Основное влияние на показатели влажности в подземном сооружении оказывает миграция под

земных вод через его несущие конструкции. Однако в подземной многофазной системе “газ-вода-порода” мигрирующие вещества подвергаются разнообразным превраще-

ниям. Поэтому влага в подземное сооружение может поступать тремя различными путями:

1) фильтрацией непосредственно подземных вод;

2) миграцией воды и пара;

3) миграцией пара.

Интенсивные тепло-влажностные воздействия окружающей среды и нестационарность процессов переноса тепла и влаги в бетонных обделках вызывают их значительные потоки и, одновременно, появление в несущих конструкциях подземных сооружений градиентов температуры и влажности. Это способствует возникновению структурных деформаций, снижению прочностных характеристик и долговечности бетонных обделок. Фазовые переходы влаги, сопровождающие тепломассопе-ренос в обделках, также способствуют деструктивным процессам в несущих конструкциях сооружений. Контакт влажных пород с потоком вентиляционного воздуха в подземном помещении приводит к перераспределению естественных теплового и влажностного полей в нарушенном горно-строительными работами массиве, в результате чего в узком ореоле вокруг подземного объекта транспорт влаги по направлению к последнему осуществляется только в виде пара. Такой ореол получил название зоны иссушения (рис. 1).

Основными характеристиками, дающими возможность управлять фильтрационно-деформацион-ными процессами за счет снижения поступления влаги через породный массив в подземное сооружение до минимального уровня, являются:

• коэффициент массопроводности массива горных пород;

• коэффициент массопроводности гидроизоляции;

• коэффициент теплопроводности теплоизоляции;

• начальная естественная влажность массива;

• скорость движения вентиляционного воздуха;

• влагосодержание воздушной струи в выработке. Вариациями этих параметров можно добиться ситуации,

когда транспорт влаги будет осуществляться только в виде пара и произойдет образование зоны иссушения пород в массиве на контакте с подземным сооружением:

Рис. 3. Изменение параметров (температуры - сплошная линия; влагосодержания вентиляционного воздуха -штрих-пунктирная линия; профиля осушенной зоны -штриховая кривая), характеризующих термодинамические процессы в массиве вокруг подземного сооружения для различных моментов времени:

1 - t =0,4- Ш4; 2 - t=0,087; 3 - t =0,5

Уравнения, описывающие тепломассообменные процессы в зоне иссушения, имеют следующий вид:

для температурных полей:

е - О

е, = е«+7

1

е.

К -г+К1п

е< =

1п -;

5

К

1 < г < 5;

(1)

К,

5

S < г < К,

к 5

(2)

г

-l

(в,-вь) , es(Rh lS-1) _LP(es,р).

(1locc + inS) Rh -S-Rh inRh Rc+inS

(З)

для влажностных полей:

U

Rd - r + Rd in

U=

R

(4)

Rd - S - Rd in

R

dS = Р(в, ,р) - NU2(Rd l S -1)

dt L2R + inS) L2(Rd -S-Rd inRd)

(5)

где: t - время; 0С - температура зоны иссушения породы; ®т -температура влажной зоны пород; ®3 - температура дневной поверхности; &а - средняя по сечению температура воздуха в выработке; г - радиальная координата; Rh - радиус теплового возмущения; Rd - радиус миграционного возмущения; S - радиус зоны иссушения; иг - максимальная гигроскопическая влажность; Р(&я р) - поток воздуха от выработки в массив горных пород; М2, асс, Lc - безразмерные параметры.

Результат расчета плоской задачи, описывающей термодинамические процессы в массиве горных пород вокруг выработки, отражен на рис. 2.

На характер распространения зоны иссушения в реальных условиях оказывает целый ряд горно-, гидрологических, теплофизических, экологических, технологических и других параметров. Некоторые из них позволяют управлять конфигурацией и размером зоны иссушения (рис. 3).

1. Увеличение влагосодержания воздуха в подземных помещениях приводит к уменьшению скорости образования зоны иссушения массива и увеличению температуры ее границы.

2. Уменьшение коэффициента массопроводности изоляции также приводит к уменьшению скорости образования зоны иссушения и увеличению температуры ее границы.

3. Уменьшение начальной влажности массива горных пород приводит к более интенсивному распространению зоны иссушения и небольшому росту температуры ее границы.

4. Увеличение скорости вентиляционного воздуха способствует росту границы зоны иссушения и скорости ее распространения.

5. Основным фактором, определяющим характер тепломассообмена между подземным сооружением и массивом вмещающих его пород является коэффициент массопроводности гидроизоляции подземного объекта, значение которого ХмПи = 0,6-0,9-10-15 кг/(м2.с) соответствует отсутствию массопереноса и активизации формирования зоны иссушения.

Общеизвестно, что первостепенная опасность агрессивного разрушения бетонных элементов конструкций обделок связана с фильтрационными деформациями и миграцией подземных вод в сооружение через неплотности и течи. Однако, анализ закономерностей поступления влаги в подземное сооружение показал на уменьшение их количества со временем (рис. 4), несмотря на то, что они тщательно заделывались и не могли служить разгрузочными отверстиями для подземных вод.

Именно исследование взаимосвязи фильтрационных параметров несущих конструкций и гидрогеологическими параметрами массива горных пород и параметрами микроклимата в подземных сооружениях, позволило определить величину коэффициента фильтрации обделки и вмещающих пород (Кф = 0,8-10-5 м/сут), при которых фильтрационные и коррозионные процессы начинают затухать, а также величину коэффициента массопроводности гидроизоляции, соответствующую практически полному отсутствию миграции влаги из породного массива к поверхности подземного объекта (Хмпи = 0,9-10-15 кг/(м2-с)). Таким образом, уменьшение течи обделок во времени связано с процессом формирования вокруг выработки зоны иссушения.

На характер распространения зоны иссушения оказывает влияние глубина заложения сооружения, что связано с

Рис. 4. Снижение образования течей через обделку подземного сооружения во времени:

1 - коллекторные тоннели; 2 - тоннели Тбилисского метрополитена

воздействием на тепломассообмен между сооружением и вмещающим массивом горных пород внешних температурных и влажностных условий, которое падает по мере заглубления подземного объекта, а начиная с глубины 20 м становится несущественным.

Этот процесс выражается через тепловой и массовый потоки (рис. 5), зависимость от глубины заложения для которых носит схожий характер и описывается уравнением Кирпичева:

1

Kiq = -

in(h + Vh2 - 1) ’

h =

H + Я l Oa

Я

(6)

Ro expI -

R

.0

где Г - время, ч; аа - коэффициент теплоотдачи с дневной поверхности, Вт/(м2-°); Н - расстояние от горизонтальной оси подземного сооружения до дневной поверхности, м; К0 - наружный радиус подземного сооружения, м; X - коэффициент теплопроводности породы.

r

r

Обнаружение зоны иссушения вокруг выработки позволяет по-новому оценить условия разрушения обделок и характер проявления

геомеханических процессов в породном массиве, и определить меры по обеспечению инженерной защиты путем использования породного массива в качестве гидроизоляционного ограждения при управлении его свойствами в заданном направлении.

Следовательно, управление свойствами зоны иссушения, как одна из мер инженерной защиты, позволяет использовать подземный объект и породный массив как взаимодействующую систему, дающую возможность научного обоснования проекта размещения подземного сооружения в естественных или искусственно укрепленных грунтах, оценки надежности эксплуатации подземного сооружения во времени в зависимости от состояния вмещающего массива горных пород, прогноза формирования зоны иссушения в зависимости от формы и параметров подземного сооружения и решения горно-геологических задач о учетом этого явления.

Вариациями различных мероприятий инженерной защиты подземных и наземных сооружений от деформа-

ций горных пород и земной поверхности можно управлять напряженно-равновесным состоянием массива горных пород, снижая негативный эффект от возникновения Рис. 5. Изменение теплового и влажностного потоков по времени с глубиной: сплошная линия - Ь)=7 м; пунктирная линия - ^=10 м; штрих-пунктирная линия - ^=20 м

тектонических разломов, трещин, карстовых полостей, каверн, пор, зон ослабления в результате техногенной деятельности и тем самым способствовать восстановлению экологического баланса окружающей среды. Более того, комбинацией описанных мер в конкретных условиях возможно добиться ситуации, когда частично или почти полностью сохраняются ранее существовавшие природные условия в породах, массив горных пород включается в работу системы “подземное сооружение -массив горных пород - выбранная технология”, формируя с сооружаемым или эксплуатируемым объектом комплексное целое и препятствуя развитию неблагоприятных по своим последствиям изменений в окружающей среде.

"7

Куликова Елена Юрьевна — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Инженерная защита окружающей среды». Московский государственный горный университет.