УкрРусEng
Статті
Концепція захисту дренажно-комунікаційного тунелю від впливу сейсмічних впливів

Г. Р. Розенвассер,

Донецкий ПромстройНИИпроект

В. В. Петрук,

«Строительная Ассоциация Интербудмонтаж»

А. П. Букань,

ЗАО «Интербудтоннель»

Общие сведения, проектные предложения

В соответствии с межправительствен­ным соглашением между Украиной и Туркменистаном «Строительная Ассоциа­ция Интербудмонтаж» строит в г. Ашгаба­те дренажно-коммуникационный тон­нель (ДКТ) общей протяженностью 18 км, предназначенный для понижения уровня грунтовых вод до 4 м.

Сооружение представляет собой систе­му возводимых способом «стена в грун­те» камер, соединенных между собой коллекторами щитовой проходки диа­метром 3,5 и 6 м, располагаемых на глу­бине 10-13 м. В настоящей работе обсуж­даются варианты конструктивных мер защиты обделки ДКТ диаметром 6 м.

Исходное конструктивное решение ДКТ предусматривает его работу в режи­ме гидротехнического сооружения с уст­ройством первичной обделки из сборных железобетонных блоков и вторич­ной обделки (рубашки) - из монолитного железобетона, по которой непосред­ственно организуются стоки (рис. 1,а).

Альтернативное конструктивное ре­шение ДКТ предусматривает его работу в режиме коммунального тоннеля с про­пуском стоков в трубах (рис. 1, б).

1_1.jpg

В обоих решениях первичная обделка в плоскости ее поперечного сечения проектируется сейсмостойкой. Принята сборная из блоков обделка конструкции Ceresola (Германия), которая укладывает­ся щитовым комплексом Херренкнехт (Германия) с перевязкой стыков в блоч­ных кольцах.

Блоки выполнены из бетона класса В35 толщиной 300 мм. Конструктивные рав­нопрочные связи между блоками как в кольцах, так и между блочными кольца­ми не предусмотрены. Связи монтажа в виде металлических шпилек и пластмас­совых дюбелей обеспечивают лишь про­ектное положение первичной обделки при монтаже и, после набора достаточ­ной прочности тампонажного раствора в заобделочном пространстве кольцевой формы, демонтируются. По периметру каждого блока в заводских условиях уста­навливается технологический гидроизо­лирующий резиновый уплотнитель, ко­торый обжимается в процессе проходки: в радиальных стыках - до «сухого» кон­такта торцов блоков; в кольцевых - с за­зором 5-2 мм, заполняемый герметиком. С учетом монтажа блочных колец этот зазор может достигать 3-3,5 мм.

Таким образом, если в плоскости попе­речного сечения сейсмостойкость тон­неля обеспечивается, то в продольном направлении, где каждое блочное кольцо представляет собой отдельный отсек, не­обходимо вводить специальный сейс­мостойкий элемент.

Вторичная обделка (рубашка), служа­щая в обычных условиях эксплуатации для гидроизоляции и коррозионной стойкости сооружения при пропуске аг­рессивных стоков, возводится после про­явления горного давления на первичную обделку и поэтому не подлежит расчету на основное сочетание нагрузок.

В исходном решении, учитывая особен­ности конструкции первичной обделки, вторичная должна проектироваться отсекообразующим антисейсмическим элементом сооружения с антисейсмичес­кими деформационными швами между отсеками и совмещать изолирующие и несущие функции.

Здесь предусмотрено удаление свя­зей монтажа между блочными кольца­ми первичной обделки и устройство шва скольжения между первичной и вторичной обделками (рис. 2, а). При этом последняя ограничивает поперечные колебания блочных колец первич­ной обделки и организует их продоль­ные перемещения по внешней поверх­ности рубашки.

В альтернативном решении (положи­тельное решение Укрпатента от 05.03.2003 о выдаче декларативного Патента на изоб­ретение по заявке № 2003010220) анти­сейсмическим продольным элементом со­оружения является пространственный ме­таллический каркас - арочная крепь из профиля горячекатаного марки СВП по ГОСТ 18662-83 (рис. 2,6).

2.jpg

Здесь антисейсмические деформа­ционные швы устроены между смеж­ными блочными кольцами, а анти­сейсмические связи выполнены в виде кольцевых распорных элементов (кру­жал), периодически расположенных вдоль оси тоннеля с внутренней сто­роны обделки, продольных линейных элементов (прогонов), равномерно расположенных по внутреннему пери­метру обделки и жестко связанных с кружалами, а также узлов связи кружал и прогонов с блоками (рис. 3), выпол­ненных с возможностью перемещения каждого кольца вдоль прогонов. С этой целью каждый из узлов связи вы­полняется в виде анкеров, жестко уста­новленных в обделке и соединенных на резьбе с прогонами через овальные отверстия в подкладках, большие оси которых направлены вдоль оси прого­нов. Предусматривается также компен­сация температурных напряжений в каркасе.

3_1.jpg

Таким образом, в альтернативном решении, аналогично исходному, реа­лизуется возможность ограничить по­перечные колебания блочных колец и организовать их продольные перемещения. Кроме того, выполнение анти­сейсмических связей и расположение антисейсмических швов между смеж­ными блочными кольцами позволяет решить техническое противоречие между деформационными свойствами заполнителей швов и их герметизиру­ющей способностью.

Так, расстояние между деформацион­ными швами ℓ определяют исходя из до­пускаемых конструкцией антисейсми­ческого деформационного шва продоль­ных относительных смещений смежных участков тоннеля δ в зависимости от ско­рости продольных сейсмических волн в грунте Vp, преобладающего периода сейс­мических колебаний Tv и возможной максимальной амплитуды колебаний массива А0.

В исходном решении ДКТ при слабых грунтах длина отсека по рубашке не должна превышать 20 м, при этом рас­четная компенсационная способность шва между отсеками в конкретном слу­чае достигает к > ±60 мм. В альтер­нативном же решении ДКТ при дли­не отсека, равной длине блочного кольца 1,2 м, расчетная компенсаци­онная способность шва не превысит к = ±3 мм.

Особенности строительства ДКТ в сейсмоопасном районе

К ним следует отнести:

  • неглубокое заложение коллектор­ного тоннеля, характеризуемое тем, что глубина заложения шелыги свода меньше трехкратного размера попе­речного сечения обделки;
  • трасса тоннелей проходит преиму­щественно в водонасыщенных суглин­ках (р1=2,08 т/м3; с1=1 кПа; φ1=220; E0=9,7 МПа) и супесях (р1= 2,04 т/м3; с1=0,5 кПа; φ1=210; E0=17,90 МПа), облада­ющих низкой сейсмической жесткостью и отнесенных НИИ сейсмологии Туркме­нистана (НИИСТ) по сейсмическим свойствам к грунтам категории III;
  • условия сейсмичности района строи­тельства по данным НИИСТ - 9 баллов (MSK-64). Расчетный балл на поверхности земли превышает фоновую оценку. С уче­том приращения сейсмической интенсив­ности за счет влияния грунтовых вод ус­ловия сейсмичности района строитель­ства - 9,6-10 баллов. Скорость распрост­ранения продольных и поперечных сейс­мических волн - Vp=400 м/с, Vs=240 м/с; длины продольных и поперечных волн - λp=1бО м, λs=100 м; преобладающие пе­риоды колебаний грунта к максималь­ным ускорениям - Ta=0,412 с, к макси­мальным скоростям - Тv=1,035 с; про­должительность (длительность) макси­мума - dx=14,45 с; максимальные ампли­туды ускорения - Х=800 см/с2 или A=X/g=0,8; возможная максимальная амплитуда колебаний грунтового масси­ва - А0~8 см;
  • отнесение ДКТ к сооружениям I класса вызывает необходимость проек­тировать тоннель по наборам расчет­ных записей акселерограмм, велосиграмм, сейсмограмм, моделирующих ос­новные типы сейсмических воздей­ствий в районе строительства. НИИСТ одобрил синтезированную акселелограмму, построенную на основе данных по Ташкентскому (1966 г.) и Калифор­нийскому (1975 г.) землетрясениям с учетом вышеприведенных сейсмологи­ческих характеристик территории строительства.

Основные расчетные положения, идеология расчетов и результаты численных исследований

Сейсмостойкость подземных сооруже­ний, или иначе - недопущение их разрушаемости, является приоритетной зада­чей при проектировании, строительстве и эксплуатации.

Обделку тоннеля рассчитывают на сейсмические нагрузки, действующие в плоскости ее поперечного сечения. Пространственный расчет, как правило, не проводят. Однако, учитывая особен­ности конструктивного решения пер­вичной обделки, такой расчет необхо­дим и, прежде всего, для оценки рабо­тоспособности обжатых до 4=13 мм при проходке технологических гидро­изолирующих резиновых уплотните­лей в кольцевых стыках. При раскры­тии швов может быть снижено их предварительное обжатие вплоть до полного разуплотнения (рис. 4). Ины­ми словами, необходимо установить возможность использования техноло­гического уплотнителя в качестве эф­фективного заполнителя антисейсми­ческих деформационных швов. Оче­видно, что надежная работа уплотни­телей и является одним из главных критериев эксплуатационной пригод­ности сооружения в целом. Исследова­ния показали, что снижение предвари­тельного обжатия уплотнителя до зазо­ра 3 мм обеспечит восприятие гидрос­татического давления до 6 МПа; 4 мм -1 МПа; 5 мм - 0,2 МПа.

4.jpg

Численное описание пространствен­ной работы подземных сооружений с учетом динамических воздействий и не­линейных свойств грунта - весьма слож­ная задача. Ее решение не регламентиро­вано нормативными документами и по­собиями по проектированию. В стати­ческой постановке рассмотренные нами расчетные схемы лишь в известной сте­пени приближаются к реальной работе сооружения. Однако погрешности отно­сятся к так называемым «систематичес­ким ошибкам», в связи с чем сравнение результатов по вариантам допустимо.

Предварительные численные исследования напряженно-деформированно­го состояния (НДС) упрощенных моде­лей коллекторов по линейной и нели­нейной схемам показало, что макси­мальные усилия и перемещения сопос­тавимы. Введение физически нелиней­ных элементов в расчет приводит к су­щественному усложнению схем и уве­личению времени расчета задачи. Учет нелинейных свойств грунтового масси­ва в окрестности выработки фактичес­ки сводится к учету односторонне рабо­тающих связей (только на сжатие), мо­делирующих взаимодействие обделки и грунта. Однако экспериментальные ис­следования показали, что так называе­мый «эффект отлипания» грунта не проявляется. Исходя из изложенного, пространственные расчеты ДКТ выпол­нены в линейной постановке с по­мощью программного комплекса Лира-Windows-8.2, реализующего метод диск­ретизации сплошной среды - метод ко­нечных элементов (МКЭ).

Общий вид расчетной схемы первич­ной обделки (рис. 5, а) представляет со­бой пространственную систему в виде оболочки, состоящей из пластинчатых конечных элементов.

5.jpg

Обделка разбита на блочные кольца длиной 1,2 м, каждое из которых состоит из 5 сегментов, соединенных шарнирно (рис. 5,6). В продольном направлении сегменты связаны между собой элемен­тами малой жесткости, моделирующими уплотнительные прокладки (поз. 2, ЕА=2,2 МН, шаг 120 /0,6 м). В кольцевом направлении сегменты соединены стержнями с продольной жесткостью, равной жесткости кольца и малой изгибной жесткостью (поз. 3, ЕА=6,6 МН). Связь (поз. 3) моделирует смещение колец, ограниченное силами трения бетона по бетону с коэффициентом трения скольжения к=0,5. Связь элементов пер­вичной обделки со вторичной или ме­таллическим каркасом описана стержне­выми элементами, изгибная жесткость которых подобрана таким образом, что­бы смоделировать возможное скольже­ние между ними с коэффициентом тре­ния поверхностей к=0,3.

6.jpg

Отпор грунта задан физически линей­ными упругими связями, приложенными к поверхности элементов обделки (поз. 7). Коэффициент жесткости упругой среды на сжатие равен 9,7 МН/м2.Для создания касательных грунтовых связей по поверх­ности обделки вдоль ее оси во всех узлах элементов первичной обделки заданы одноузловые конечные элементы-связи ко­нечной жесткости (поз. 6). Жесткость од­ной связи подобрана так, чтобы смодели­ровать трение грунта о поверхность тон­неля с коэффициентом трения скольже­ния к =0,4. В этом случае жесткость одной связи равна 160 кН. Общее их число -1286. Для предотвращения вращения сис­темы вокруг оси коллектора в верхних и нижних узлах модели наложены упругие связи по касательной к поверхности об­делки и лежащие в плоскости перпенди­кулярной его оси (поз. 5). Жесткость од­ной связи подобрана таким образом, что­бы смоделировать трение грунта о пове­рхность обделки с коэффициентом тре­ния скольжения к=0,4. В этом случае жесткость одной связи равна 15 МН. Об­щее число связей - 64.

Внешние нагрузки на систему «обдел­ка-грунт» моделировались с учетом об­водненности грунта. Вес его задан расп­ределенным по поверхности пластин оболочки (отдельно вычислялась горизонтальная и вертикальная составляю­щая стандартными методами механики грунтов). Сейсмические нагрузки задава­лись акселелограммой (рис. 6), синтези­рованной с учетом сейсмических харак­теристик территории строительства. Тех­нологические нагрузки приложены к внутренней поверхности рубашки или металлическому каркасу.

Основные результаты представлены на рис. 7, 8.

7.jpg

Сравнение преобладающих перио­дов сейсмических колебаний грунта (Та=0,412 с; Тv=1,0 35 с) с собственны­ми периодами колебания рассмотрен­ных систем «обделка-грунт» показыва­ет, что резонансные явления в них не возникают.

Сейсмостойкость первичной обделки в плоскости, перпендикулярной продоль­ной оси, обеспечивается усилением сече­ний арматурой, при этом связи монтажа следует оставить на период эксплуатации для повышения устойчивости формы.

В продольном направлении первичная обделка не является сейсмостойкой в от­ношении стыковых соединений блочных колец. Относительные смещения смеж­ных блочных колец при суммировании от различных наиболее энергоемких форм колебаний достигают: Δx=б5 мм; Δz=111 мм; Δy=18мм. Очевидно, гидрои­золирующий резиновый уплотнитель в кольцевом стыке при сейсмических воз­действиях на обделку будет выведен из строя (рис. 7,6).

8.jpg

Связи монтажа между блочными кольцами (наклонные металлические шпильки диаметром 27 мм из стали марки С235 с резьбовым соединением в пластмассовых дюбелях) в случае их сохранения для эксплуатации не смогут обеспечить сопротивление приведен­ным смещениям, поскольку допустимые деформации, ограниченные проч­ностью шпильки, значительно ниже: по резьбовому соединению[Δ]рез=0,15 мм; по сечению [Δ]сеч=0,3 мм.

Относительные смещения блочных ко­лец первичной обделки с сейсмоустойчивыми продольными элементами сос­тавляют:

  • по исходному проекту (вторичная обделка) - Δx=1 мм; Δz=2 мм; Δy=3 мм (рис. 8,а);
  • по альтернативному (металличес­кий каркас) - Δx=7 мм; Δz=9 мм; Δy=3 мм (рис. 8,6). Конструктивными практичес­ки осуществимыми мероприятиями относительные смещения по осям X и Z можно уменьшить до 3-5 мм.

Как видно, сейсмоустойчивые про­дольные элементы в исходном и альтер­нативном решениях препятствуют по­перечным колебаниям первичной об­делки и организуют продольные пере­мещения блочных колец по вторичной обделке или прогонам металлического каркаса через швы скольжения. Здесь также целесообразно демонтировать связи монтажа между блочными кольца­ми и заполнить кольцевые швы специ­альными герметиками, обладающими следующими свойствами: адгезией к бе­тону не менее 0,8 Мпа, деформативностью без потери сплошности не ме­нее 200% и долговечностью, соответ­ствующей классу сооружения.

Ремонтопригодность коллекторного тоннеля

В исходном решении ремонтопри­годность определяется в отношении вторичной обделки и антисейсми­ческих деформационных швов. В случае если коллектор используется как гидротехническое сооружение, при повреждении вторичной рубаш­ки от агрессивных компонентов сто­ков она подлежит усилению, а не ре­монту как в обычных условиях эксплуатации, поскольку является несущим сейсмоустойчивым элемен­том сооружения.

В альтернативном решении, которое может быть использовано только в режи­ме коммуникационного сооружения, все элементы коллекторного тоннеля - пер­вичная обделка, арочная крепь, антисейс­мические деформационные швы, а также трубопроводные коммуникации характе­ризуются полной ремонтопригодностью.

Выводы

Всесторонний анализ работы ДКТ в сейсмоопасном районе г. Ашгабат (Турк­менистан) показал следующее.

1. Особенности конструктивного реше­ния первичной обделки ДКТ и техноло­гии крепления горной выработки вызыва­ют необходимость введения специально­го сейсмоустойчивого продольного эле­мента: несущей вторичной обделки по ис­ходному решению или металлического каркаса по альтернативному, препят­ствующих поперечным колебаниям и ор­ганизующим продольные перемещения блочных колец. При этом в альтерна­тивном решении деформации швов меж­ду блочными кольцами значительно меньше деформаций швов между отсека­ми по вторичной обделке в исходном ре­шении, что позволяет компенсировать де­формационные воздействия без сниже­ния гидроизолирующей способности уп­лотнителей. Аналоги приведенных реше­ний в практике коллекторостроения в сейсмоопасных районах не обнаружены.

2. Деформационная способность гид­роизолирующего резинового уплотните­ля недостаточна для герметизации коль­цевых швов при сейсмических воздей­ствиях, в связи с чем кольцевые зазоры между блочными кольцами должны быть заполнены упругим материалом повы­шенной компенсационной способности.

3. В отношении сейсмостойкости кол­лекторные тоннели как по исходному, так и по альтернативному решению, практически, равноценны.

4. В отношении режима эксплуатации коллекторных тоннелей наиболее надеж­ным является режим коммуникационно­го сооружения с пропуском стоков в тру­бах при альтернативном варианте сейсмозащиты.

5. В отношении ремонтопригодности коллекторного тоннеля, по исходному решению восстановлению доступны только вторичная обделка и антисейсми­ческие деформационные швы, в то время как по альтернативному решению все элементы сооружения - первичная об­делка, металлический каркас, антисейс­мические деформационные швы, а также трубопроводные коммуникации доступ­ны для контроля, ремонта и замены в процессе эксплуатации в условиях сейс­мических воздействий.

6. Коллекторный тоннель по альтерна­тивному решению сейсмозащиты, режи­му эксплуатации и ремонтопригодности по возможным последствиям землетрясе­ний является наиболее целесообразным для реализации в сейсмоопасном районе г. Ашгабата, поскольку обеспечивает на­дежную эксплуатацию на весь срок службы объекта.

 
© ЗАТ "Інтербудтунель".
Всі права захищені.
Developed by Deep Vision
01013, Україна, м Київ, вул. Промислова, 1
телефон: (380 44) 495-27-90
факс: (380 44) 495-27-92
E-mail: