CC BY
111
--------------------------------------------- © О. В. Сапронов, 2006
УДК 625.8.004.1
О.В. Сапронов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ МЕЖРЕМОНТНЫХ ПЕРИОДОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЕЙ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ НА ЗАДАННОМ УРОВНЕ НАДЕЖНОСТИ
нфраструктура современного города - это огромная система, связанная в единое целое при помощи различных коммуникаций. Одним из основных способов их прокладки является сооружение тоннелей для инженерных коммуникаций.
Преждевременный выход из строя этих объектов приводит к тяжелым экологическим и социальным пос-ледствиям для целых районов города и может являться причиной аварий наземных зданий и сооружений.
В г. Москве протяженность сооружений этого типа составляет 345 км, из которых более 270 км - теплофикационные проходные коллекторные тоннели мелкого заложения. Средний прирост вводимых в эксплуатацию сооружений этого типа за последние 10 лет составил 5,5 км/год.
Для коллекторных тоннелей характерна типичность конструкций. В большинстве случаев она представлена конструкциями, выполненными из ребристых блоков, которые собираются из трех типовых железобетонных элементов. Опыт эксплуатации тоннелей для инженерных коммуникаций показал, что железобетонные конструкции подземных сооружений этого типа и, особенно, плиты перекрытий подвергаются ускоренному износу, затраты на выполнение ремонтных работ значительно превосходят существующие нормы, что приводит к снижению эффективности инвестиций [1] в поддержание
инженерной инфраструктуры города. Это связано с тем, что сроки службы конструкций в тоннелях установлены без должного обоснования, а также с низким качеством строительства, материалов, конструкций и неквалифицированным выполнением ремонтных работ.
Средний срок службы плит перекрытия по данным эксплуатирующей организации составляет 54 года, но значительная часть конструкций выходит из строя ранее проектных сроков (fig. 1). Это связано с большой дисперсией параметров эксплуатационной среды, важнейшими из которых являются засоленность хлоридами грунтовых вод, высокая скорость карбонизации, колебания температуры и влажности, а также воздействие динамических нагрузок.
Сложившаяся ситуация при эксплуатации городских подземных сооружений, в том числе, тоннелей инженерных коммуникаций характеризуется [1]:
• большим накопленным объемом информации о состоянии конструкций сооружений коллекторных тоннелей, в частности, в г. Москве. Выявлены основные механизмы и скорости износа железобетона, разработаны методические материалы по обследованию и прогнозированию состояния коллекторных тоннелей с использованием различной измерительной аппаратуры;
а)
Время эксплуатации, годы
б)
Время эксплуатации, годы
Рис. 1. Изменение надежности конструкций в при эксплуатации тоннелей (а - без ремонтов, Ь ■ отремонтированных)
• значительным успешным опытом проектирования и проведения ремонтных работ по усилению несущих конструкций и гидроизоляции тоннелей;
• отсутствием обоснованного планирования инвестиций при эксплуатации коллекторных тоннелей после первого и последующих ремонтов.
Наличие большого объема статистических данных по износу конструкций позволяет построить достаточно адекватную математическую модель, дающую возможность прогнозировать время безотказной работы каждой из отремонтированных конструкций тоннелей, с использованием точных и научно обоснованных методов планирования мероприятий по их поддержанию и принятию решений по эксплуатации и ремонту эксплуатируемых сооружений. Характер и особенности поддержания работоспособности исследуемого типа сооружений, включающих в себя большое число типовых конструкций, дает возможность сделать модель «конформа-тивной», то есть приспосабливающейся к изменениям в условиях эксплуатации по мере накопления и обработки статистических данных и ретроспективной оценки результатов ее использования.
Основными задачами, решаемыми с помощью математической модели, являются:
• прогнозирование состояния, как отдельных конструкций, так и сооружения в целом;
• планирование обследований состояния конструкций;
• оптимизация процесса плановой
замены конструкций при обеспечении за-
данного уровня надежности.
• сокращение инвестиций в поддержание конструкций на заданном уровне надежности.
Укрупненный алгоритм решения поставленной задачи показан на рис. 2
Проведенные исследования позволили установить, что основной объем отказов в тоннелях инженерных коммуникаций приходится на долю плит перекрытий ( 95). [1], следовательно, изменение надежности этого элемента тоннельной обделки, можно принять за критерий надежности сооружения.
Под надежностью конструкции в данном случае понимается ее свойство сохранять в процессе эксплуатации способность выполнять требуемые функции. Поэтому надежность сооружения означает вероятность сохранения функционального на-
Рис. 2 Укрупненный алгоритм планирования межремонтных периодов
значения сооружения в течение всего срока эксплуатации. Таким образом, если в качестве основного параметра принимается несущая способность элементов сооружения, то его надежность может быть определена как вероятность того, что в любой момент времени несущая способность любого элемента сооружения не упадет ниже допустимой нормы [5].
Необходимо отметить, что данный тип сооружений состоит из последовательно соединенных звеньев, а в каждом звене -элементов конструкции, при отказе одного из этих элементов влечет за собой отказ всего звена, а, следовательно, и тоннеля в целом. То есть вероятность отказа тоннеля
можно принять как отказ любой его конструкции.
Надежность данного типа конструкций целиком определяется степенью коррозии арматуры. Каждой конструкции присущ монононно убывающий процесс изменения несущей способности который оценивается на основе вероятностных оценок исчерпания коэффициента запаса по несущей способности (Кзапаса), что соответствует различной степени коррозии арматуры (таблица). Следовательно, в качестве отказа конструкции по несущей способности можно принять 5 категорию технического состояния [2].
Значительная дисперсия сроков службы конструкций в тоннелях обуславлива-
Категория технического состояния Кзапаса Пределы коррозии арматуры
1. Исправное 100-67% до 2%
2. Работоспособное 2% - 7%
3. Ограничено работоспособное 67-33% 7% - 15%
4. Недопустимое 33-0% 15% - 25%
5. Аварийное отказ Более 25%
ется не только качеством выполнения строительных и ремонтных работ, но и изменчивостью условий эксплуатации по трассе сооружений и степенью износа элементов на момент ремонта. Для получения более высокой адекватности прогнозных моделей, были выделены 4 типовых участка по трассе сооружения со схожими условиями эксплуатации по агрессивности внутренней среды, а также разделение на категории технического состояния на момент ремонта:
1. Участки вне зоны влияния дорог. Характеризуются постоянным тепловлажностным режимом эксплуатации конструкций (при наличии теплотрассы). Анализы воды, поступающей из грунта в коллекторные тоннели, показали что, в основном, грунтовые воды не агрессивны к арматуре железобетонных конструкций по [5].
2. Участки около вентиляционных шахт, вне зоны влияния дорог.
Эксплуатационная среда аналогична первому типу, кроме того характеризуется значительными колебаниями температуры и влажности среды. Колебания температуры участков составила от -25 до +29 °С. Результаты измерения влажности ремонтного состава показали, что значения влажности бетона составили от 1,5 до 7,1 %, а ремонтного состава колеблются в пределах от 1,2 до 3.8 % по массе, то есть практически до полного водопоглощения.
3. Участки трассы в прилегающих к дорогам зонах. Проведенный анализ на присутствие хлоридов в защитном слое бетона плит перекрытия тоннелей со сроком службы более 8 лет показал, что в местах использования на дорогах антиоб-
леденительных реагентов, в отдельных конструкциях, поверхностная концентрация ионов С1- составляла 0,8 % от веса цемента. Содержание хлоридов фильтруемой воде составило 150-30000 мг/л. При таких значениях степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на арматуру железобетонных конструкций при периодическом смачивании - сильно-агрессивная[5]. Максимальное значение содержания СО2 в воздухе тоннелей 0,3 % по объему, что составляет по массе 5887 мг/м3, кроме того значительное влияние оказывают динамические нагрузки от проезжающего транспорта.
4. Участки около вентиляционных шахт, в прилегающих к дорогам зонах. Эксплуатационная среда аналогична третьему типу, кроме того, характеризуется значительными колебаниями температуры и влажности среды. Колебания температуры участков составила от -25 до +29 °С. Результаты измерения влажности конструкций на отремонтированных участках показали, что ее значения для «старого» бетона составили от 1,5 до 7,1 %, а ремонтного состава от 1,2 до 3.8 % по массе, то есть практически до полного во-допоглощения.
Моделирование сроков службы отремонтированных конструкций
На основании наблюдения и сбора статистической информации о работоспособности и техническом состоянии плит перекрытия, находящихся в различных эксплуатационных условиях [8], были получены и обработаны следующие сопоставимые выборки случайных величин, влияющих на скорость износа конструк-
ций, и характеризующих процессы изменения надежности в течение всего их срока службы:
• концентрация хлоридов в старом бетоне (%) - Хг;
• концентрация хлоридов в рем. составе (%) - Х2;
• толщина защитного слоя старого бетона - Х3;
• толщина ремонтного состава (со стороны старого бетона) - Х4;
• толщина ремонтного состава (со стороны поверхности) - Х*
• пористость ремонтного состава -
Хб;
• пористость старого бетона - Х7;
• наличие протечек - Х8;
• степень карбонизации защитного слоя старого бетона - Х9.
• степень карбонизации защитного слоя ремонтного состава - Х10.
Текущее время безотказной работы плит перекрытия, т.е. время, оставшееся до необходимого ремонта конструкции -2кт где к - категория технического состояния конструкции в момент ремонта, п - номер варианта условий эксплуатации конструкции (номер участка тоннеля).
Под временем отказа ремонта принимаем величину равную оставшемуся сроку службы конструкции до отказа. Начало коррозионного процесса в отремонтированной конструкции можно считать совпадающим со временем начала трещино-образования. Для характерных значений параметров плит перекрытия отставание появления продольных трещин от начала процесса коррозии составляет величину порядка одного года, поскольку трещино-образование начинается уже при степени коррозии арматуры 1-1,5 %, что при средней скорости коррозии в 0,9 % в год и дает указанное отставание. При визуальной оценке состояния ремонта, критерием отказа служит появление трещин с шириной раскрытия более 0,5 мм в защитном слое
бетона или ремонтном составе [2], в результате чего ремонтные мероприятия перестают влиять на скорость износа арматуры.
Рассматривая величину Ткп, как функцию многих переменных (Х1, Х2, ... ,Х10), выделяем для последующего построения регрессионных зависимостей наиболее значимые переменные, а также уточняем их частные коэффициенты корреляции.
По результатам статистической обработки данных обследований для всего объема с учетом всех десяти факторов строятся следующие уравнения многомерной линейной регрессии (1):
Тп = Т.31= ао + а^1 + аХ2 + ... + аюХю
(1)
Оценка адекватности данных моделей дает следующие значения множественного коэффициента детерминации г2= 0,7-0,82 и соответствующее значение Б-критерия Рнабл = 7,1-11,3, который может считаться значимым для уровня зависимости с вероятностью более 95 %.
Полученные оценки являются весьма высокими и свидетельствуют о большой степени адекватности полученных линейных регрессионных моделей, т. е. высокой вероятности совпадения «теоретических»
^ гук
значений величины Т п с ее реальными наблюдаемыми значениями. Следовательно, можно с высокой степенью достоверности использовать полученные зависимость для прогнозирования времени безотказной работы отремонтированных плит перекрытия для данного вида сооружений.
Однако, такие модели, зависящие от большого числа переменных, являются малоудобными и могут быть существенно упрощены за счет использования только тех переменных, которые наиболее тесно связаны с Якп. Упрощенная регрессионная модель для 3 типа участка Ткп (Х1, Х2, Х4, Х7, Х8) имеет следующий вид:
Тсл Время
Рис.3 Изменение надежности конструкций при различных стратегиях эксплуатации сооружения:
1 - коррективная стратегия эксплуатации, 2 - эксплуатация с регулярными ремонтами, 3 - Эксплуатация по текущему состоянию)
% з— &о + + @2^2 + @4X4 + ауХу +
(2)
Необходимо отметить, что данные модели построены для метода ремонта и восстановления, который наиболее часто применятся в сооружениях данного типа, так называемый "локальный ремонт", при котором поврежденный бетон удаляется и субстрат и арматура подвергаются очистке. Затем для восстановления геометрической формы производится нанесение праймера на арматуру, добавки, повышающей сцепление между старым и новым бетоном, укладка раствора для ремонтных работ и, наконец, покрытия. Материалом для локального ремонта служит однокомпонентный ремонтный материал или двух- или трехкомпонентная ремонтная система.
Удалению подвергаются не только участки отслоившегося бетона, производится удаление и некоторой части бездефектного бетона для обеспечения достаточной толщины защитного слоя старого бетона от области зараженной хлоридами. В результате отремонтированная площадь составляет примерно на 10 % больше, чем зараженная область.
Повторно пр оводимый локальный ремонт (ремонт "второго поколения") приводит к значительной потере сцепления на ранее отремонтированных участках, и при этом в большинстве случаев необходимо не только удаление защитного слоя с зараженного участка, но и всего старого ремонтного состава, что существенно влияет на трудоемкость и стоимость повторного ремонта.
Планирование эксплуатационных мероприятий
Принимаемое решение при планировании может предусматривать различные варианты, которые можно представить в виде трех основных направлений эксплуатации конструкций [3], в течение жизни сооружения (рис. 3):
• коррективное направление эксплуатации;
• эксплуатация с регулярными ремонтными и профилактическими работами;
• эксплуатация по текущему состоянию.
Коррективное направление эксплуатации означает, что не предпри-нимается никаких действий вплоть до фактического
обнаружения дефектов или повреждений (Дии). Применительно к условиям коллекторных тоннелей это означало бы ожидание момента нарушения гидроизоляции с возникновением протечек через швы, либо уменьшения несущей способности плит перекрытия (определяемого визуально по разрушению защитного слоя бетона в результате коррозии арматуры). Это приемлемо когда не возникает вопрос об уровне безопасности, например, в отношении воздействия воды на силовые кабели с поврежденной изоляцией в первом случае или обрушения плит перекрытия - во втором. На практике до недавнего времени такой тип эксплуатации тоннельных конструкций был наиболее распространен. При этом, последствия от отказа гидроизоляции или нарушения прочности конструкций оценивались как неопасные, а мероприятия, направленные на исключение отказов были достаточно дороги.
Эксплуатация с регулярными ремонтными и профилактическими работами означает, что конструкции обслуживаются в соответствии с жестким календарным графиком. Эта стратегия была бы оправдана и справедлива в случае, когда имеются точные данные относительно срока службы конструкции. Для условий коллекторных тоннелей, срок службы плит перекрытия имеет значительный разброс. Такое положение дел означало бы, что, например, подщелачивание бетона защитного слоя или его замена производились в определенные моменты времени независимо от его состояния. К сожалению, отсутствие более точной информации о сроках службы элементов конструкции при применении такой стратегии обслуживания не позволяет оптимизировать с экономической, а также и технической точек зрения, выбора времени для производства работ.
Эксплуатация по текущему состоянию предусматривает варианты обслуживания строительных конструкций подземных сооружений с использованием данных диагностических обследований (мо-
ниторинга). Такое обслуживание является наиболее обоснованным, современным и экономически целесообразным способом сохранения и/или повышения надежности подземных конструкций.
При использовании направления эксплуатации по текущему состоянию несущие конструкции обследуются в определенные моменты времени. Работы по ремонту могут выполняться (или не выполняться) в зависимости от показателей оценки состояния по фактору прочности, проницаемости, разгерметизации швов и т.д. Время проведения обследований может быть определены заранее, интервалы между обследованиями могут быть одинаковыми или различными. При необходимости, можно рассчитать время следующего обследования и оно определяется после каждого обследования в зависимости от реального состояния сооружения. Эксплуатация по текущему состоянию оправдана при значительных затратах, связанных с последствиями возможных отказов и относительно небольших затратах на проведение обследований, профилактических и ремонтных работ, Очень важно чтобы оценка состояния конструкции проводилась с высокой точностью. Для условий коллекторных тоннелей это означает, что обследования связаны с определением нарастания глубины прокарбонизирован-ного бетона и накоплением концентрации хлоридов для конструкций без видимых повреждений бетона защитного слоя. Для конструкций с поврежденным защитным слоем обследования направлены на определение степени коррозии арматуры и оценку несущей способности конструкций. При заданном соотношении между стоимостями ремонта и обследования следует решать вопрос о производстве любых срочных работ по ремонту.
Качественное сравнение трех стратегий представлено на рис. 3, где отчетливо видно, что с точки зрения рационального использования запаса надежности конструкций, оптимальной стратегией является «эксплуатация по текущему со-
стоянию». В тоже время без достаточно точного прогноза относительно времени отказа ремонтов такая стратегия приводит к неоптимальному использованию ресурсов. Наличие таких прогнозных моделей позволяет обоснованно планировать проведение диагностических и ремонтных мероприятий для каждой конструкции с учетом значительного разброса в сроках службы отремонтированных конструкций, объемах,
стоимости эксплуатационных мероприятий. Такая «гибкая» стратегия позволяет минимизировать затраты на поддержание конструкций на заданном уровне надежности на весь срок службы сооружения.
В рамках любой из стратегий, для снижения рисков по отказу конструкций, в настоящее время, предусматривается проведение диагностических мероприятий.
На различных стадиях износа конструкций выполняется необходимый комплекс мероприятий, достаточный для оценки их текущего состояния. Так в начальный период эксплуатации замерам подлежат толщины защитного слоя, диаметр арматуры, и ее шаг. Измеряется глубина карбонизации и проницаемость бетона, фиксируется степень агрессивности, влажность и температура внешней среды. После появления продольных трещин осуществляется оценка степени коррозии по раскрытию продольных трещин, и др.
Для отремонтированных конструкций, дополнительно предусматривается проведение оценки сцепления ремонтного состава с бетоном, измерение пористости ремонтного состава и измерение толщины защитного слоя вокруг арматуры и др.
В рамках планирования эксплуатационных мероприятий, прогнозирование сроков отказа конструкций дает возможность для каждого элемента сооружения выбрать характер воздействия: ''непринятие никаких мер", замену или выполнение локального ремонта конструкции, что
позволяет при наименьших затратах обеспечить заданный срок службы сооружения, а при нехватке средств, направить их на проведение наиболее необходимых в данный момент работ.
Процесс производства и, соответственно, принятия управляющих решений разбивается на отдельные шаги, а все принятые решения сравниваются по фактору затрат. Это позволяет применить для его оптимизации методы динамического программирования [8].
Очевидно, в случае минимизации эксплуатационных затрат, общие затраты, общие затраты будут составлять:
С — ЕС1 ^ тіп, (3)
где С - суммарные затраты, С1 - затраты на каждом шаге эксплуатации.
Исходя из вышеизложенных критериев, определяется оптимальный план проведения работ.
Для расчетов на ранних стадиях эксплуатации время попадания конструкции в 3 категорию технического состояния время может быть спрогнозировано и приближенно вычислено через с использованием имитационной математической модели использованием метода Монте-Карло [2].
Расчет эксплуатационных затрат ведется для всех систем эксплуатации, в результате чего выбираются оптимальные сроки проведения ремонтных и диагностических мероприятий.
На рис. 4 показаны сравнительные графики эксплуатационных затрат на поддержание плиты перекрытия в зоне влияния дорог, с применением различных стратегий и различными временами попадания в 3 категорию технического состояния. Несмотря на то, что при применении оптимизированной стратегии на начальном этапе эксплуатации отремонтированных конструкций происходит незначительное увеличение расходов на поддержание по сравнению с остальными стратегиями, уже через 5-8 лет происходит выравнивание общих затрат, а в дальнейшем
а
3
ю
О
60000 -|
Г—
30000 - [
20000 -
10000 ■ 0 1 1 »♦♦♦♦«.♦♦♦« г ХХЮ<ЮО(Х*Х
Ддд ♦у**к*ю<х-к/
22
(а)
27 32 37 42 47
Время эксплуатации, годы
52
В
о.
й
о
ф
X .
а
о
60000 -| 50000 -
40000 - Г
30000 -
20000 ■
10000 - I
ииккма/ин»*»*
0 1
-(1)
-(2)
-(3)
35 38 41 44 47 50 53
(6) Время эксплуатации, годы
Рис. 4. Суммарные инвестиции в поддержание конструкций плит перекрытия с момента попадания плиты в 3 категорию технического состояния при различных стратегиях эксплуатации: 1 -
Коррективное направление эксплуатации, 2 - эксплуатация по текущему состоянию, 3 - “гибкая” стратегия эксплуатации
и значительное сокращение инвестиций. Так, для конструкции со временем попадания в 3 категорию технического состояния 22 года, общие затраты составляют 40 % и 75 %, по сравнению с коррективной системой эксплуатации и с эксплуатацией по текущему состоянию, соответственно (рис. 4, а). При большем сроке службы до попадания конструкции в 3 категорию происходит еще более значительная экономия средств (рис. 4, б), которая может достигать 5-% по сравнению с эксплуатацией по текущему состоянию без оптимизации и до 80 % по сравнению с коррективной стратегией эксплуатации.
Выводы
1. Несмотря на большой разброс в скоростях износа конструкций при эксплуатации тоннелей возможно построение точных прогнозных моделей для оценки срока службы отремонтированных конструкций.
2. Полученные математические модели позволяют с большой вероятностью
1. Сапронов О.В. Исследование закономерностей износа железобетонных конструкций подземных сооружений и прогнозирование меж-
вычислить сроки отказа отремонтированных конструкций.
3. Разработанный подход к планированию выполнения ремонтных работ на основании прогнозных математических моделей позволяет поддерживать сооружения на заданном уровне надежности в течение всего срока эксплуатации без проведения реконструкции.
4. Применение методов динамического программирование позволяет более обоснованно спланировать межремонтные периоды конструкций, сроки выполнения и объемы диагностических мероприятий, обеспечивающие минимальные расходы в течение всего срока эксплуатации сооружения, при обеспечении заданного уровня надежности.
5. На основании спланированных межремонтных периодов каждой конструкции возможно количественно оценить ежегодные инвестиции на поддержание всего сооружения в любое в любой момент его срока службы для различных систем эксплуатации.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ремонтных периодов. II Всероссийская конференция по бетону и железобетону, Москва 2005, с. 698-703.
2. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. - М: Стройиздат, 1990. - 320 с.
3. ГОСТ 27.002-89. «Надежность в технике».
4. Шилин А.А. Стратегия ремонта железобетонных конструкций подземных сооружений с учетом их состояния и требуемого уровня надежности. Сб. «Труды ведущих ученых МГИ» «Научное обоснование подземного строительства», -М.: Издательство Академии горных наук
5. Shilin A., Kirilenko A., Pavlov O. Reliability-based Maintenance of Reinforced Concrete Struc-
tures in Urban Tunnels// Proc. 2 Int. Conf. “Concrete under Severe Conditions”. - Tromso, Norway, 1998, vol.2, pp.1241-1250
6. Alonso, M.C. and Andrade, C., “Corrosion of Steel Reinforcement in Carbonated Mortar Containing Chloride”, Advances in Cement Research 1, 1998, pp. 155-163.
7. Отчеты по диагностике конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций за период с 1994 по 2005 гг. ЗАО «Триада-Холдинг».
8. Беллман, Р.; Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования - М.: Наука, 1965.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Сапронов О.В. - инженер, аспирант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет, «Триада-Холдинг».
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АРЖАКОВА Елена Сергеевна Экономическое обоснование повышения эффективности функционирования угледобывающих предприятий Якутии при изменении структуры собственности 0S.00.05 к.э.н.
КОРОВУШКИН Сергей Алексеевич Экономическое обоснование перспективы производства и потребления кузнецких энергетических углей 0S.00.05 к.э.н.
