CC BY
66
© А.Н. Левченко, А.Н. Дмитриев, Б.И. Федунец, 2006
УДК 69.035.4
А.Н. Левченко, А.Н. Дмитриев, Б.И. Федунец
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ БЕЗ ВТОРИЧНОЙ ОБДЕЛКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФУТЕРОВКИ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
~П азвитие инфраструктуры горо-
-Щ- дов, эффективное функционирование современного городского хозяйства непрерывно связаны с интенсивным освоением подземного пространства, в частности, с сооружением тоннелей различного назначения и в первую очередь коммунальных коллекторных тоннелей. Необходимость учета особенностей городских условий, к которым относится, в первую очередь, неглубокое заложение этих тоннелей (1520 м), высокая плотность поверхностной застройки, наличие ответственных сооружений по поверхности, густая сеть подземных коммуникаций, определяют целесообразность использования закрытого способа строительства таких тоннелей, а именно щитового способа. Существующая технология предусматривает использование в качестве крепи сборной обделки, которая должна быть, прежде всего, прочной, долговечной и защищенной от коррозийного воздействия агрессивных канализационных стоков.
Развитие крупных городов сопровождается все возрастающими объемами строительства подземных коммуникаций, среди которых значительное место занимают тоннели для отвода сточных вод, так называемые канализационные коллекторы.
По предварительным прогнозам ряда проектных институтов Москвы, только в этом городе предполагается ввести в строй до 2020 г. канализационных тоннелей общей протяженностью порядка 250 км.
Вместе с тем все возрастающие объемы строительства таких тоннелей при практически не меняющейся конструкции их обделки приводят к снижению эксплуатационных свойств.
По данным проведенных обследований, свыше 90 % всех подземных сооружений в городах выходят из строя ранее проектных сроков, то есть не соответствуют проектному уровню долговечности. Преждевременный износ приводит к их отказу и необходимости выполнения ремонтных работ, а конструкции подземных сооружений отличаются плохой ремонтопригодностью, их трудно и дорого ремонтировать, чаще всего вообще невозможно вскрыть. Таким образом, можно утверждать, что сегодня существует проблема повышения надежности конструкций подземных сооружений.
Повышенное внимание к качеству строительства и сроку их службы определяет, прежде всего, опасностью негативного влияния сточных вод на окружающий массив, особенно в случае возникновения во время эксплуатации аварийной ситуации.
Кроме того, до настоящего времени при строительстве таких тоннелей в обязательном порядке возводят вторичную противокоррозионную обделку, что увеличивает соответственно сроки строительства и его стоимость.
Дефицит мощностей канализационных сооружений в настоящее время в РФ достигает около 9 млн м3/сут; более 1/3 всех систем требует полной замены. Доля разрушений дворовых сетей составляет 80,8 %, городских -19,2 %. Большую роль в преждевременном разрушении коллекторов играет материал обделки. На капитальные ремонты подобных коллекторов тратится 40-45 тыс. руб. на 1 м тоннеля. Первоначальные капитало-вложения и расходы на эксплуатацию подземных сооружений могут доходить до 75 % стоимости
основных фондов.
Таким образом, анализ состояния действующих тоннелей показал, что срок их эксплуатации очень невелик, а используемые гидроизоляционные материалы не позволяют достигнуть желаемого результата.
Значительная часть финансовых средств (до 30 % от стоимости строительства каждого кубометра сооружения в пересчете на 1 год эксплуатации) уходит на борьбу с отказами несущих конструкций, среди которых основное место занимает нарушение гидроизоляционных свойств обделок. Анализ опыта экс-плуатации и натурных наблюдений действующих тоннелей позволяют сделать вывод о недостаточной надежности несущих конструкций подземных сооружений, низкий уровень которой закладывается на стадии проектирования. В последнее время особое внимание уделяется выбору конструкции крепи и гидроизоляции, на базе изучения взаимодействия под-
земных сооружений и вмещающих пород.
Следует отметить, что аналогичные задачи решаются и ведущими специалистами ряда зарубежных стран. Определенные успехи в этом направлении достигнуты специалистами швейцарской фирмы «Бернольд-Чересола АГ», которые предлагают наладить выпуск стандартных элементов конструкции крепи с полимерным покрытием и торцевыми резино-пластиковыми уплотнителями, которые достаточно хорошо противостоят антикоррозийным разрушителям. Высокая экономическая эффективность изготовления такой крепи, а также возможность ее использования в стандартных тоннелепроходческих механизированных комплексах ряда зарубежных фирм («Хер-ренкнехт», «Ловат», «Вирт» и др.) определяют большие перспективы для ее внедрения в России при внесении определенных корректировок в конструкцию обделки крепи (рис. 1-2).
Тоннелепроходческие механизированные комплексы целесообразно применять с гидротранспортом грунта (типа AVN), с кессонной камерой (типа AVND), с грунтопригрузом (типа EPB) с разными исполнительными органами. Некоторые типы ТПМК представлены на рис. 3-4.
Обделки таких сооружений являются комбинированными, многослойными конструкциями, что в свою очередь ведет к их удорожанию, хотя в мировой практике уже наметилась другая тенденция, а именно: проектирование и изготовление элементов конструкции крепи сразу в заводских условиях с внутренним и наружным полимерным покрытием.
В тоже время требуют решения вопросы выбора полимеров, техноло-
Рис. 2
гии их нанесения по технологическим швам тоннельной обделки, повышения пожарной безопасности покрытий и др.
Анализ литературных источников и данных, полученных в МГУП «Мосочист-вод», показал, что железобетонная обделка канализационных коллекторных тоннелей подвергается разрушению под воздействием следующих факторов:
• механический износ наносами;
• выщелачивание и химическая коррозия;
• трещинообразование под воздействием внешних нагрузок.
Каждый из названных факторов в отдельности или совместное действие не-
скольких из них разрушает бетонную обделку коллекторных тоннелей, выводя ее из эксплуатации на долгое время, и уменьшают срок ее службы.
На несущую способность обделки коллекторного тоннеля значительное влияние оказывает гидроабразивный износ особенно лотковой части и коррозийное ослабление бетона.
Интенсивность изна-
шивания бетонов в агрессивных средах выше, чем в нейтральных в 2 раза (при соответствующих условиях). При постоянном воздействии на обделку агрессивных сред, можно ожидать усиление ис-
THpae-MOCTH BO BggMgHH 3a CHQT
EPB 2000 AH - EPB 3500 AH
Segment Lining - Train System
Рис 3
AVND 2000 AH - AVND 3000 AH
Segment Lining
Рис 4 22
проникновения агрессивной среды в бетон.
Износостойкость обделки при ее механическом истирании зависит от прочности раствора, содержащегося в бетоне. С повышением прочности раствора растет износостойкость обделки.
С целью защиты обделки от агрессивного воздействия сред, протекающих по тоннелям необходимо возводить полимерные экраны из термореактивных смол в комплексе с крупным наполнителем (песком), который повышает стойкость к истиранию покрытия в 2-5 раза.
Одним из вариантов повышения сроков службы обделки коллекторного тоннеля, является возведение полиэтиленового экрана, стойкость которого к истиранию в 80 раз выше, чем у обычного бетона.
Покрытие бетонных и железобетонных обделок коллекторных тоннелей футеровкой на основе эпоксидной смолы позволяет многократно снизить их истираемость и водопроницаемость. При этом густовязкие мастики должны быть эффективны для повышения долговечности тоннелей и для заделки технологических швов.
Технология «Combisegments» - абсолютно новая технология, новизна которой в первую очередь, связана с конструкций сегментов, используемых для устройства обделки коллектора при проходке тоннеля щитом.
Базовый сегмент изготавливается из самоутрамбовывающегося бетона и имеет следующий состав:
- заполнитель: песок / гравий 0-16 мм;
- цемент: СЕМ 52.5 согласно европейскому стандарту 360 кг/м3;
- добавки: Гидролент 40 кг/м3;
- вода/цемент соотношение = 0.45;
- суперпластификатор: 1.4 %;
- оползание раствора: 74 см;
- плотность (компактный вес): 2405
кг/м3;
- сжимающая нагрузка через 7 дней 59 Н/мм2;
- сжимающая нагрузка через 28 дней 78 Н/мм2.
Элемент коллектора - сегмент - представляет собой армированную бетонную деталь, внутренняя часть которой защищена пластиком, а по периметру, в заводских условиях, заформован резиновый уплотнительный материал. Новизна данной конструктивного элемента заключается в том, что процесс сборки конструкции (уплотнитель, пластиковая футеровка) происходят в заводских условиях на стадии изготовления железобетонного элемента. Наиболее важными деталями конструкции являются:
- резиновые уплотнители,
- пластиковая футеровка,
- непосредственно бетонные сегменты, защищенные со стороны грунта специальным составом (в заводских условиях).
На первом этапе принято решение об устройстве опытного участка коллектора с использованием оригинальных материалов разработчика технологии, чтобы, на основании полученного опыта, можно было бы перейти с импортных материалов на отечественные.
Судя по предоставленной разработчиком технологии информации материал для защиты элементов бетонной обделки коллектора от воздействия агрессивных грунтовых вод, НПО «Космос» может предоставить замену состава фирмы Sika на водоэмульсионный защитный состав ЗАС 3 в.
По поводу пластика футеровки. Предлагается использование двух типов пластика для футеровки: на основе эпоксидных смол и полиэтилена, арми-
рованные стекловолокном. Причем для канализационных коллекторов рекомендуются использовать связующее на основе эпоксидных смол.
Так как подбор состава полиэтилена для пластика не требуется, основное внимание сосредоточили на подборе состава матрицы из эпоксидной смолы.
К пластику футеровки предъявляется комплекс требований, которые коротко характеризуются как:
- хемостойкость по отношению к сточной воде,
- стойкость к газовой коррозии (сероводород),
- прочность не менее 60 МПа,
- абразивоустойчивость.
С точки зрения эксплуатационных характеристик, конечно, эпоксидная смола, по сравнению с полиэтиленом, дает более широкие области применения. Для наших целей, возможно, пригодны были бы и полиэтилены высокой плотности низкого или среднего давления (особенно, с точки зрения стоимости), но для получения высокопрочных армированных пластиков рекомендуется использовать эпо-ксидные, кремнийор-ганические или полиэфирные смолы, армированные непрерывными волокнами, например, стекла или базальта (последний дороже).
Известно, что эпоксидные смолы (в отвержденном виде) устойчивы к воздействию кислот, щелочей, микрофлоры и пр. Главная задача, которую нам предстояло решить - подбор оптимального состава, которые, не ухудшая хемостойкости эпоксидной смолы и ее прочностных характеристик, позволил бы исправить ее главный недостаток - хрупкость. Для повышения деформационных свойств пластика на основе эпоксидной смолы нами были выбраны два направления - химическая модификация посредством ввода в состав каучука, меха-
ническая модификация - ввод стекловолокна. Для уменьшения времени отверждения композиции использовался от-вердитель амино-амидного типа. Для повышения абразивоустойчивости -кварцевая пыль.
Так как введение наполнителей в систему чревато образованием микро-пор необходимо было проверить стойкость наполненной системы к воздействию сточных вод и, особенно, газопроницаемость.
Для этой цели было изготовлено две серии образцов полимерной композиции, из которой сформированы образцы полимербетона, переданные на испытание в лабораторию коррозии НИИЖБ.
Предлагаемая новая расчетная схема определения нагрузки на обделку от горного давления в сжимаемых напряжениях и с учетом сводообразования позволяет уменьшить величину расчетных внутренних усилий, что в конечном итоге выражается в снижении металлоемкости обделки.
Предлагаемая конструкция несси-метричных арматурных каркасов в блоках позволяет более рационально перераспределить напряжения в бетоне и арматуре, что обеспечивает более эффективную работу бетона обделки.
В конечном итоге предлагаемые рекомендации по расчету и конструированию блоков позволяет уменьшить расход арматуры более чем на 30 %.
Высокая экономическая эффективность изготовления отдельных бло-ков с внутренним полимерным покрытием, а также соблюдение геометрических размеров в процессе их изготовления позволяют рекомендовать их для использования при строительстве канализационных и коммуникационных тоннелей с помощью проходческих механизированных ком-плексов.
Все это в конечном итоге позволит сократить сроки и стоимость строительства таких тоннелей за счет умень-шения материалоемкости крепи, причем такая конструкция крепи будет служить без капитального ремонта подземных сооружений значительно дольше и надежнее.
1. Розенталь Н.К. Обзор отечественного и зарубежного опыта защиты от коррозии канализационных тоннелей. М.,1995.
2. Материалы международной конференции «Долговечность и защита конструкций от коррозии». М.,1999.
Внедрение новых конструкций коллекторных тоннелей без внутренней обделки позволит снизить стоимость строительства и трудозатраты на 25-30 %, существенно сократить сроки строительства.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Dietrich Stein. Grabenloser Jeitungsba. Bochum. Germany. 2003.
4. Lovat helps quench a Tuscan valley’s thirst. Tunneling and Trenchless Construction. January/February 2006.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Левченко А.Н. - профессор Московского государственного горного университета,
Дмитриев А.Н. - доктор технических наук, профессор Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова,
Федунец Б.И. - доктор технических наук, профессор Московского государственного горного университета.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЖУКОВ Виталий Семенович Взаимосвязь вариаций физических свойств горных пород и современных геодинами-ческих процессов 25.00.16 25.00.20 д.т.н.
ВЕЛИКАНОВ Александр Михайлович Формирование организационноэкономического механизма стратегического управления бизнес-процессами угольной компании 08.00.05 к. э. н.
