автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Надежность тоннельных обделок из набрызгбетона, сооружаемых в протерозойских глинах

41 .х.'-4 На правах рукописи

Сергей Владимирович

Л ^

^ чижов

НАДЕЖНОСТЬ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ИЗ НАБРЫЗГБЕТОНА, СООРУЖАЕМЫХ В ПРОТЕРОЗОЙСКИХ ГЛИНАХ

05.23.15 — Мосты и транспортные тоннели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Диссертация выполнена на кафедре "Тоннели и метрополитены" Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Д.М. Голицыпский.

Ведущее предприятие - АО "Ленметрогипротранс", Санкт-Петербург.

Защита состоится 26 ноября 1998г в 13 час 30 мин. На заседании диссертационного совета Д 114.03.04 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 3-237.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный консультант доцент Б. В. Свитин.

кандидат технических наук,

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Кандидат технических наук, профессор

II.П. Ваучский В.А. Быстрое

Автореферат разослан

1998г

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук Г//,

С.Р. Владимирский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы: В настоящее время вопросам надёжности тоннельных конструкций, с учётом длительного срока их эксплуатации (более 100 лет), уделяется большое внимание. Особое значение приобретает этот вопрос при использовании тонкослойных конструкций к которым относятся обделки из набрызгбетона (н/б). Так, вопрос о назначении минимальной толщины таких обделок оставался открытым до настоящего времени. Данная диссертация посвящена проблеме обеспечения надёжности тоннельных обделок из н/б, являющихся наиболее перспективными конструкциями обделок подземных сооружений. Их широкое внедрение в практику подземного строительства сдерживается рядом обстоятельств:

- слабой нормативной базой для применения н/б в качестве постоянных обделок; .....

- сравнительно небольшим практическим отечественным опытом применения н/б, особенно в слабых породах;

- отсутствием методик оценки надёжности тоннельных обделок из н/б, а также учета изменения свойств материала обделок при эксплуатации.

Данная работа, частично, решает указанные проблемы, что свидетельствует об актуальности темы диссертации.

Цель и задачи работы: Цель работы заключается в исследовании надёжности тоннельных обделок из н/б, сооружаемых в грунтах типа протерозойских глин.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

- разработана методика оценки надежности н/б обделок на стадиях их проектирования, строительства и эксплуатации;

- обследованы н/б обделки эксплуатируемых выработок Петербургского метрополитена, возведённые в протерозойских глинах в 1974-1985гг., отобраны образцы и проведены их лабораторные испытания;

-з-

- проведено исследование надёжности н/б обделок методами системного анализа с использованием нелинейных многофакторных математических моделей;

- разработаны мероприятия по повышению надёжности н/б обделок эксплуатируемых выработок.

Научная новизна:

- Впервые научно обоснованы критерии надёжности н/б обделок.

- Разработана методика оценки надежности обделок из н/б с использованием методов системного анализа

- Предложен ряд нелинейных многофакторных математических моделей для установления надёжности конструкций обделок из н/б.

- На основе натурных обследований дана классификация эксплутацион-ной надежности н/б обделок и предложены мероприятия по повышению их. надёжности.

- Научно обоснована минимальная толщина н/б обделок на прогнозируемые сроки эксплуатации конструкций.

- Установлены оптимальные величины слоя н/б, наносимого за один прием, в зависимости от технологических параметров различных схем сооружения обделок.

Достоверность результатов обосновывается использованием комплексного метода, включающего натурные и лабораторные исследования, математическое моделирование, а также проверкой статистических характеристик данных и адекватности моделей натуре.

Практическое значение и реализация работы.

Даны рекомендации по выявлению и устранению возможных дефектов обделок из н/б, что увеличивает срок их эксплуатации.

Разработаны нормативные документы по практическому использованию н/б в качестве постоянных обделок подземных выработок («Рекомендации по применению набрызгбетона в протерозойских глинах», «Тех-

-н-

нические условия на сухие смеси для набрызгбетона»), которые приняты к производству на объектах Петербургского метрополитена.

Результаты работы внедрены при проектировании и сооружении обделок ниш и камер ж.д. тоннеля № 24 Сахалинской ж.д.

На защиту выносятся: 1. Результаты анализа натурных обследований и лабораторных испытаний

образцов и/б обделок. 1. Методика оценки эксплуатационной надёжности н/б обделок на основе

системного анализа. 1. Оптимизация толщины н/б обделок на заданный срок их эксплуатации и

величины слоя н/б, наносимого за один прием. 4. Мероприятия, повышающие долговечность н/б обделок '

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались яа'заседании научной секции «Транспортных сооружений» Петербургского Дома учёных Академии на-! ук России 14 октября 1997г., на научно-технических конференциях в ' ПГУПСе «Неделя науки-97» 2 апреля 1997г., «Неделя науки-98» 31 марта 1998г. По результатам работы опубликовано 5 статей.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх 'лав, основных выводов, списка литературы. Содержит: 155 страниц ма-пинописного текста, в том числе: 41 рисунок, 14 таблиц и 2 приложения, . ;писок литературы содержит 104 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе проанализированы работы, посвященные надёжно-;ти строительных конструкций, подчёркнута актуальность изучаемой про->лемы. Изложены цели и задачи исследования.

Основные принципы, положения и терминология надёжности приводя в ГОСТ 27.002 - 89 «Надёжность в технике». Стандарт даёт только

общие понятия и требует установления показателей надёжности применительно к каждому конкретному объекту.

Впервые, работы Болотина В.В., Ржаницына А.Р., Тимашева. С.А. способствовали развитию методов теории надёжности в строительстве. Исследования Авир JI.C., Беляева Ю.К., Гнеденко Б.В., Соловьёва А.Д. расширяют понятие надежности для сборных зданий и сооружений, Ермолаева H.H., Михеева В.В. в области оснований.« фундаментов. В работах этих авторов проводится анализ и разрабатываются методологические основы решения задач надежности различных строительных объектов, но они не затрагивают вопросы надёжности подземных сооружений.

Для подземных сооружений понятие надёжности даётся Булычёвым Н.С., которым анализируется методика Вихура А. оценки надёжности крепи стволов шахт с использованием экономического критерия. Исследованиям надёжности обделок посвящены работы Индейкина A.B. Под руководством Меркина В.Е. коллективом НИЦ «Тоннели и метрополитены» АО ЦНИИСа разрабатываются вопросы надёжности и долговечности конструкций подземных сооружений. Представляет значительный интерес работа Гарбера В.А. по исследованию долговечности тоннельных конструкций в условиях эксплуатации и городского строительства. Из зарубежных исследований известны работы Кастерли JI, Тестор Р, Шикмаиа Д, Блюма Р. в которых надёжность рассматривается как вероятностная величина.

Указанные исследования расширяют, понятие надёжности применительно к объектам подземного строительства, но не касаются надёжности конструкций н/бобделок. . ,

Вопросы надёжности: н/б конструкций, в технической литературе практически не освещались. Можно отметить только работу Голицынского Д.М. «Оценка надёжности туннельных обделок из набрызгбетона» в которой даётся подход к решению этой проблемы.

Отличительные особенности н/б обделок от монолитных и сборных:

-6-

- тонкослойность конструкции (обычно от 50 до 200мм);

- плотный контакт н/б обделки с окружающим массивом пород, работающей в режиме взаимовлияющих деформаций;

- отсутствие четко выраженных швов и стыковых соединений;

- повышенная плотность бетона, обусловленная технологией возведения обделки;

- неоднородность свойств н/б по всей толщине слоя, наносимого за один прием.

Научное обоснование возможности применения н/б обделок в протерозойских глинах (/»1.5) было разработано Голицынским ДМ. (ЛИИЖТ). Мониторинг проводили сотрудники Лаборатории ЦНИИС под руководством Степанова П.В. в период 1973-1985гг.

При проходке выработок применялись четыре различные технологические схемы проходки выработок с обделками из н/б:

- 1 - способ ступенчатого забоя;

- 2 - способ ступенчатого забоя с установкой анкеров и навеской металлической сетки; ;

- 3 - способ опережающей калотты;

- 4 - способ ступенчатого забоя с установкой опережающих металлических стержней в верхней части лба забоя. ;

Многолетний опыт эксплуатации н/б обделок показан, что все они подвержены старению и повреждениям под воздействием внешних условий, характерных д ля Петербургского метрополитена.

Вторая глава посвящена разработке методики оценки надёжности конструкций н/б обделок, установлению понятий надёжности таких обделок,' выработке критериев их отказов и обеспечению достоверности проводимых исследований. / V. ,

Анализ результатов повреждений конструкций обделок подземных сооружений в процессе их эксплуатации, свидетельствует о том, что пре-

дельное состояние материала наступает значительно раньше нормативного срока эксплуатации либо, обделки имеют необоснованный запас долговечности. Это обусловлено тем, что расчёт обделок по первой, и второй группам предельных состояний обеспечивает надежность их статической работы с исходными свойствами материалов и не учитывает изменений параметров эксплутационной среды и структурных свойств конструкций в процессе их длительной эксплуатации.

Надёжность н/б является комплексным свойством, включающим долговечность и ремонтопригодность и зависит от большого числа разнообразных факторов на различных этапах их жизненного цикла.

Уже на стадии проектирования решения применить тот или иной тип обделок, виды материалов, назначить геометрические размеры, влияющие на НДС конструкций, во многом, определяют их надежность и долговечность.

На стадии возведения конструкций применение различных технологических схем, механизмов и оборудования, а также качество работ и материалов, квалификация персонала оказывают влияние на параметры надежности обделок

В процессе эксплуатации под воздействием внешней среды происходит их старение. Факторы и интенсивность воздействия внешней среды на обделки чрезвычайно разнообразны.

Очевидно, что решение этой сложной проблемы может быть получено с использованием методов системного анализа.

Для оценки надёжности конструкций обделок из н/б под руководством к.т.н. Свигина В.В. была разработана методика й основу которой положен комплекс многофакторных нелинейных математических моделей, материалы натурных обследований н/б обделок, результаты лабораторных испытаний образцов материалов, полученных га эксплуатируемых и возводимых конструкций. Рис.1.

Рис.1: Методика анализа надежности набрызгбетонных обделок.

Методика позволяет проводить всесторонний анализ параметров конструкций в процессе эксплуатации, прогнозировать их сроки службы до наступления отказа, управлять технологическим процессом возведения н/б обделок с оптимизацией структурных, прочностных и конструктивно-технологических характеристик, максимизирующих срок службы сооружения. '

Все полученные в результате обследования и испытаний параметры, входящие в математические модели, были проанализированы и распределены по группам, характеризующим надежность н/б обделок с различных сторон. Всего в моделях используется 5 групп с общим количеством параметров надежности 31. Кроме того, параметры разделены на ВХОДНЫЕ и ВЫХОДНЫЕ. ВЫХОДНЫЕ параметры некоторых математических моделей являются ВХОДНЫМИ 8 других моделях. Такая многоуровневая система отвечает сложным взаимосвязям реального объекта

Проведбн анализ рядов данных для установления их соответствия закону нормального распределения, а также статистических оценок: дисперсии, среднего квадратичного отклонения, коэффициентов вариации, ошибок выборочных показателей.

Установлено, что данные репрезентативны, распределены по нормальному закону и могут быть использованы для построения точных математических моделей.

Анализ ВХОДНЫХ и ВЫХОДНЫХ параметров показал, что точные нелинейные многофакторные вероятностно-статистические модели могут быть построены в виде степенного полинома:

1=1 1=1}=?+1 ¡=1

Построение нелинейных регрессионных моделей проводилось в следующем порядке. На первом этапе задавалась структура модели. Затем строилась математическая модель методами шаговой регрессии и Хокин-

-Ю-

га-Лесли. На следующем этапе производился анализ точности построения модели с использованием доли объяснённой вариации в процентах (свыше 90%) и величин остатков. Если точность построенной модели была обеспечена, процесс построения модели заканчивался, если нет, то переходили к первому этапу. Так было построено пятнадцать математических моделей.

Поскольку обделки подземных сооружений являются сложными многоуровневыми системами, то решение задачи их надежности может быть получено путем определения оптимальных значений параметров из различных групп при изменениях этих параметров в широких пределах. Решение этой многопараметрической задачи возможно с использованием построенных нелинейных оптимизационных моделей вида:

У(Х{ )= /(Х{)-> тах(тп) % (Х1 )=/(Х{ 0,] = 1...к,1 = 1...п

хГп < XI <; хгх

где, У( Х{)- целевая функция, (X,-)- функции ограничений,

Х"ип < Х( < Х™х- двусторонние ограничения на переменные.

Решение задачи определения класса эксплутационной надёжности качественного состояния конструкций осуществлялось с использованием констант и функции классификации, построенной вероятностно-статистическим методом дискриминантного анализа вида:

ОьМ^Ъ^Ъ+Х^-С^О ,где Ы 1=1

Вц - дискриминантная функция, Л/ -числовые коэффициенты при переменных, Х1,Х2-■■■^8 - переменные (данные обследования), Ск - константы функций.

В зависимости от вероятности безотказной работы были назначены три класса эксплуатационной надежности. Для определения класса эксплута-

циониой надёжности, полученный в процессе обследования каждого погонного метра обделки: вектор значений параметров Xi , подставляют в функцию классификации и определяют численное значение D^ (Х()

1. Если D/^Yj) > Cj, то исследуемый участок относится к 1 классу эксплутационной надёжности (р> 0.99, где р - вероятность безотказной

работы). Участок исправен и готов к дальнейшей эксплуатации.

■ ■ • : ■ ,.;!„:/.¡I;; - ¡г.-:;-. :

2. EcmDj(Xj) < С/, вычисляется,и если выполняется условие D2[X{)> С2, то участок относится ко 2 классу (0.87< р <0.99). Участок требует текущего ремонта.

3. Если D2(Xj) < С2, вычисляется D3(Xt); и если выполняется условие > С?, то участок относится к 3 классу (р< 0.87). Участок неисправен и требуется его неотлагательный ремонт или реконструкция.

Достоверность математических моделей обеспечивается построением моделей на основании натурных данных, анализом их статистической дос-, товерности и репрезентативности, применением надежных статистических методов, всесторонних оценок их точности, проверкой адекватности моделей реальному объекту путём сопоставления значений результатов моделирования с подстановкой в модели полученных при обследовании и в лаборатории данных с данными натуры.

Надёжность обделок подземных сооружений тесно связана с понятием отказа, под которым понимаются предельные состояния конструкции н/б обделки в результате наступления которых её дальнейшая эксплуатация становиться невозможной. '"''•" '

Для установления ввда критериев отказа н/б обделок был проведён анализ статической работы таких конструкций;'который показал, что на стадии эксплуатации их несущая способность во многом обуславливается сцеплением н/б с породой.

-1Z-

При этом, сцепление и/б с протерозойскими глинами (Снб) определяется в основном прочностью самих грунтов (йс) и находится в интервале С«5 = 0.05-0.35 МПа

'"Очевидно, на стадии эксплуатации возможны два состояния:

- при контакте между обделкой и породой; напряженное состояние конструкции обуславливается наличием, как нормальных так и касательных напряжений (обычные условия эксплуатации). При этом, для обеспечения совместной работа н/б обделки с породой необходимо выполнение условия: Снб > 0.01 Лс; •

- в случае нарушения контакта, несущая способность н/б обделок значительно уменьшается в результате появления изгибающих моментов и значительных смещений конструкции.

Критериями отказа н/б обделок служат:

<г=/ар,/:,т)<[4

р £ <; где нормальные напряжения в конструкции

обделки (МПа), г- смещения конструкции обделки (мм), [й] - фактическая прочность на сжатие материала обделки (МПа), [г-] - предельные смещения конструкции н/б обделки (мм), э - площадь поперечного сечения обделки (см2), р - контактное давление (МПа), К - класс надежности, Т -срок службы выработок.

Третья глава посвящена вопросам проведения натурных обследований выработок Петербургского метрополитена с н/б обделками и последующего лабораторного испытания отобранных образцов, определению эксплуатационной надежности участков конструкций опытных выработок.

Целью обследования фактического состояния н/б обделок опытных выработок явилось получение реальных данных для их использования в системном анализе надежности конструкций. Кроме того, в процессе об-

следования определялось качество н/б обделок и выявлялись причины, приведшие к их ослаблению.

Обследованные (¿=1mJ участки выработок работают в благоприятных условиях. Сезонные колебания температуры определяются сезонными схемами вентиляции метрополитена (f=+8...+17°C, влажность воздуха 55-60%).,

Все обследованные выработки расположены в плотных протерозойских глинах с прослойками тонкозернистого сцементированного песка. Дм оценки свойств материала из обделок были выбурены 120 кернов, при помощи агрегата «HELTI». Установлено хорошее сцепление н/б с породой во всех выработках, поскольку разрушение керна происходило по глине на расстоянии 5-10 мм от линии контакта с породой. Время бурения кернов из обделки вентсбойки № 28 в среднем составляло 40 секунд при толщине слоя 180-200мм. Это же время затрачивалось в камере у шахты № 218, что косвенно свидетельствует об относительном однообразии свойств н/б на участках применения «сухого» способа. Увеличение времени бурения до 55 секунд было отмечено в вентиляционном узле у шахты № 527, на участке, где был применён «мокрый» способ нанесения н/б.

Наиболее часто встречающимся повреждением обделок является коррозия, проявляющаяся в виде белых пятен (SN3.2-0.8m2), хаотически расположенных по всему периметру участков обделок. Наблюдаются отслоения поверхностного слоя н/б, происходящие по причине коррозии.

Вторым по частоте встречающимся при обследовании обделок повреждением является наличие отдельных трещин и их систем. Наиболее часто трещины встречаются в местах сопряжения н/б обделок с обделками других выработок. '

Величина раскрытия трещин на внутренней поверхности обделки незначительна и составляет в среднем Змм, при глубине - 70мм и при толщине обделки -150мм. Их развитие происходит под углом к поверхности

>бдеяки, что делает невозможным применение механических измерительных инструментов. Для измерения глубины развития таких трещин въшол-(ена серия измерений ультразвуковым прибором УКБ;

Анализ результатов проведенных обследований показал: . Значительные повреждения, которые могут привести к отказам обделки в ближайшей перспективе, не обнаружены.

Все выявленные ослабления можно отнести к местным нарушениям. . Обделки на разных участках имеют разное техническое состояние, свя-анное с технологическими схемами их сооружения и условиями эксплуа-ации.

. Определение эксплутационной надёжности качественного состояши н/б бделок, обследованных выработок показало: обделка нижнего венгузла у шахты № 527 на участках 1,2,4,6,7,8,10,11 и обделки вентсбойки № 28 на участках 1,3,4,5,6,7,8,10 относятся к первому классу эксплутационной надёжности;

обделка камеры у шахты № 218 на участках 2,3,4,5,6,7 относится ко второму классу, поэтому для улучшения условий работы и продления сроков ее службы рекомендуется периодическое проветривание, участки обделки 3 класса при обследовании не обнаружены. Данные натурных исследований и анализ научных работ различных ав-эров свидетельствует, что надёжность конструкций обделок напрямую вязана с надёжностью материала из которого они выполнены. Поэтому здача определения сроков службы обделок должна решаться с учётом грукгурных особенностей н/б и их возможных изменений, происходящих од влиянием внешней среды.

Целью лабораторных испытаний явилось:

1. Определение параметров, оказывающих влияние на долговечность атериала конструкции обделки.

2. Получение значений структурных параметров. Для этого было проведено йСпытание 120 образцов, отобранных из обделок путём выбуривания кернов (d= 41мм, L= к обделки) следующими методами:

- исследование поровой структуры н/б линейным методом оптической микроскопии; .м/

- испытания прочности образцов га одноосное сжатие;

- испытание на водопоглащение (характер открытости пор); !

- рентгенофазовый анализ продукта коррозии (установление причин). ^

Ранее, д.т.н. Голицынским Д.М. было определено, что н/б, наносимый за один приём, состоит из нескольких слоев, отличающихся по прочностным и структурным характеристикам.

Проведенные Исследования подтвердили, что по длине образцов чётко прослеживается пять слоёв: три основных (I) - контактный; (Щ) -основной; (V) - поверхностный и два промежуточных (П), (IV). Направление ^с

Поверхностный набрызга ( слон: б-12мм,

Переходной слой: 3-11мм

Основной слой: 32-48мм

50200 мм

Переходной

Коетмггный^

¡^Ш^ТмЩ

Рис.2: Структура слоя набрызгбетона толщиной от 50 до 200мм, наносимого за один приби.

чь-

Наибольшей прочностью отличаются (I) и (111) слои, а наименьшей -, (V). Прочность на сжатие поверхностного слояДУ) на 25-31% меньше этого же показателя для основного слоя (III).,

Полученные результаты позволяют охарактеризовать поровые; структуры слоев как имеющие различия в количестве пор на единице длины (0.1-0.35мм"'), в содержании пор (4.9-16.3 %), в среднем расстоянии между ними (2.1-Юмм"1) и в удельной поверхности (16.3-32.1мм *').- •

Указанные особенности поровой структуры справедливы практически для всех кернов, отобранных из различных мест в конструкциях., В зависимости от местоположения керна в конструкции толщина поверхности ного слоя в замковом сечении в 1.3-1.8 раза больше толщины поверхностного слоя в стенах. ■-.!

Лабораторные испытания кернов показали, что количество пор размером 104мм</,<1мм в образцах из нарушенных участков конструкции, по сравнению с образцами нормальных участков в 1.5 раза.выше по всем пяти слоям набрызгбетона.

Анализ содержания лор образцов, отобранных из .обделок, сооружённых по различном технологическим схемам, свидетельствует о разнообразии структурных свойств образцов. /и г;.

Полученные результаты показывают, что водопогдащение тесно связано с качественным состоянием обделок. Так, для участков обделок, относящихся к 1 классу, водопоглащение не превышает 8-10%, Для участков обделок с коррозионными повреждениями водопоглщцение увеличивается до 20%. .

„ - Исследование образцов на одноосное, .сжатие показало, что уменьшение прочности материала конструищи происходит, главным образом, из-за коррозионных ослаблений. Так, потеря прочноста-в,образцах, отобранных из коррозионных участков, составляет порядка 50-60% от прочности образцов из других участков. Интенсивность потери прочности за-

-44-

висит, главным образом, от скорости протекания коррозии на этих участках.

В результате проведённого рентгенофазового анализа установлено:

- фазовый состав образцов на качественном уровне, практически, идентичен;

- развитие коррозии в определённых местах происходит из-за неоднородности структурных свойств н/б.

Анализ лабораторных испытаний показал:

- структурные параметры (характеристики поровой системы), прочность на сжатие, водопоглащенне тесно связаны с классом надежности участков обделок;

- неоднородность свойств материала конструкций н/б обделок обуславливается, технологией нанесения, местоположением сечения конструкции обделки, дефектами, возникающими при эксплуатации;

В четвёртой главе методами системного анализа, с использованием разработанной методики, исследуются способы повышения надёжности путем оптимизации структурных параметров и технологии возведения обделок из н/б. Разработанные математические модели позволяют решать широкий спектр задач, затрагивающих различные стороны надёжности тоннельных обделок из н/б. В ходе исследований ограничились решением задач следующих групп:

1. Связанные со структурными параметрами материала;

2. Связанные с технологией сооружения обделки;

3. Связанные с критериями отказа обделки. Первая группа задан.

- определение оптимальных, с точки зрения надёжности, значений структурных характеристик поверхностного слоя н/б (задача максимизации прочности поверхностного слоя),

.. —48—

- обоснование минимальной толщины н/б обделки, (задача минимизации толщины обделки при заданном классе надёжности к определённому сроку службы),

- прогноз сроков службы н/б обделок эксплуатируемых выработок метрополитена (задача максимизации срока службы обделок).

Наиболее существенными являются следующие результаты:

Определено, что классы надёжности 1-3 характеризуются различными структурными параметрами материала обделки. "

Установлено, что толщина поверхностного слоя (V) оказывает значительное влияние на класс надёжности н/б обделок. В процессе эксплуатации агрессивные воздействия приводят к разрушению и разрастанию поверхностного «слабого» слоя в глубь конструкции обделки, - Участки обделок соответствующие 1 классу надёжности характеризуются толщиной поверхностного слоя - 6мм, 2 классу - 8мм.

Диапазон изменения значений водопоглащения для классов 1,2 изменяется несущественно 2,7-5 %. Участки Обделок, соответствующие 3 классу характеризуются резким увеличением значения этого параметра до 25%. Показатель содержания пор для участков обделок 1,2 класса надёжности не должен превышать 8%, при среднем расстоянии между порами 9

- 7,5 мм"1, что обеспечивается при В/Ц=0.46 и применением цемента марки 400.

Проведена максимизация срока службы обделок толщиной А = 0.2 м для выработок с1 = 3.8; 4.3; б м в условиях эксплуатации Петербургского метрополитена. Прогноз сроков службы н/б обделок обследованных выработок свидетельствует," что и/б обделка нижнего вентиляционного узла шахты №527 достигнет 3 класса к 75 годам с момента ее сооружения, обделка сбойки №28 - к 60 годам, обделка камеры у шахты №218 - к 50 годам (рис. 3).

Вторая группа задач:

- определение оптимальных, с точки зрения надёжности обделок, значений некоторых технологических параметров;

- исследования зависимостей некоторых структурных параметров от технологических схем сооружения н/б обделок.

Для решения задач этой группы в качестве ВХОДНЫХ используются оптимальные значения ВЫХОДНЫХ параметров, полученные на математических моделях.

Наиболее существенными являются следующие результаты:

Определено, что величина слоя н/б, наносимого за один приём, оказывает значительное влияние на фактическую надёжность обделок. При применении набрызгмашин типа БМ, СБ производительностью 4-5м3/час, при В/Ц = 0.46, с точки зрения надёжности, оптимальная толщина слоя 5-7 см.

Установлено, что оптимальные значения технологических параметров изменяются в небольшом диапазоне. Так, для толщины слоя 5-7 см, наносимого за один приём по схеме 1 давление в набрызгмашине должно составлять 0.15-0.20 МПа, что оптимизирует структурообразование омо-ноличенного слоя грунта и уменьшает отскок.

Для толщины слоя больше 7 см при различных технологических схемах изменения давления сжатого воздуха мало влияет на параметры структуры материала.

При применении «мокрого» способа следует применять цементы более высоких марок с высоким В/Ц для увеличения подвижности смеси и лучшей транспортировки набрызгбетона по материальному шлангу. Цемент марок 300 и даже 200 при «сухом» способе, как показали результаты математического моделирования, уже обеспечивает высокую прочность конструкции и надёжность обделки при условии тщательного перемешивания исходной смеси. _ п

Увеличение толщины слоя н/б до 10 см при «мокром» способе возможно при уменьшении В/Ц, поскольку применение смеси с высоким В/Ц приводит к оплыванию материала на поверхности выработки. Третья группа задач:

- установления критериев отказа при решении оптимизационных задач определения класса надежности обделок к определенному сроку службы обделок;

- исследования зависимостей изменения значений параметров группы НДС конструкции обделок от свойств материала при различных классах надёжности.

Наиболее существенными являются следующие результаты;

Установлено, что снижение несущей способности н/б,обделок происходит по причине увеличения (разрыхления) толщины нарушенного слоя и снижения прочности конструкции (рис.4), а также в результате больших деформаций конструкции.

Определено, что значительные увеличение напряжений и снижение прочностных свойств в конструкциях н/б обделки отмечается при достижении конструкцией 3 класса надёжности при этом наблюдается значительное (до 200%) увеличение толщины «слабого» слоя.

Анализ результатов математического моделирования показывает, что при одинаковой толщине поперечного сечения обделок и контактных давлениях величины предельных напряжений для первого класса надёжности будут выше. Характер зависимостей величин предельных напряжений от толщины поперечного сечения близок к-линейному. ; ;

Полученные зависимости величин нормальных напряжений в н/б обделке (Л = 0.2 м, для выработки с! = 4.2 1 и 2 классов надёжности от контактных давлений показывают, что в обделках 1 класса наблюдаются напряжения в диапазоне от 0.27-0.31 МПа.

&

с

ю >»

с; о лл о а О

Класс надёжности.

Рис. 3: Прогноз сроков службы н/б обделок обследованных выработок.

га

х §

н

§

с о

о

X

г ©

Э >»

а со х

Срок службы, лет.

Рис.4: Изменение толщины нарушенного слоя конструкции н/б обделки в процессе эксплуатации.

Участки обделки, относящиеся ко 2 классу характеризуются меньшими напряжениями 0.27- 0.05 МПа, что связано с образованием микротрещин в н/б.

На основе анализа результатов натурного обследования и лабораторных испытаний, а также анализа работ различных исследователей автором предложен ряд мероприятий повышающий надёжность н/б обделок. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Установлены критерии надежности н/б обделок на этапах проектирования, сооружения и эксплуатации. Это позволит, с учетом развития нормативной базы, обоснованно применять н/б обделки в конкретных условиях подземного строительства.

2. Разработана методика оценки надежности н/б обделок на основе методов системного анализа с использованием натурных данных и материалов лабораторных испытаний, что позволяет управлять параметрами системы на всех стадиях: проектирования, строительства, эксплуатации и обеспечивает высокий класс эксплутационной надёжности обделок при длительных сроках их службы.

4. Определены три класса надёжности н/б обделок, соответствующие различным качественным состояниям их конструкций и разработана методика их классификации на основе математических моделей.

5. На этале проектирования методика позволяет:

- спрогнозировать сроки службы н/б обделок, при заданном классе эксплуатационной надежности сооружения;

- повышать надёжность путем задания оптимальных, значений параметров конструктивно-технологической и структурной групп;

- назначать толщину конструкций н/б обделок помимо требований к несущей способности с учётом заданных сроков их службы.

6. На этапе сооружения обделки методика позволяет:

- управлять технологическими параметрами возведения обделки;

-23-

- сооружать обделку с заданными сроками службы путем назначения оптимальных структурных параметров, параметров прочности и толщины слоев.

7. В процессе эксплуатации методика оценки надёжности н/б обделок позволяет в любой период времени:

- объективно оценить существующий класс эксплуатационной надёжности участков обделок;

- дать долговременный прогноз и рекомендации по их дальнейшей эксплуатации;

8. Получены зависимости, характеризующие эксплуатационную надежность обделок, которые позволяют научно обоснованно назначать основные параметры н/б конструкций и технологии их возведения.

9. На основе натурных, лабораторных и модельных исследований надежности и долговечности н/б обделок разработаны рекомендации по применению набрызгбетона в протерозойских глинах.

Осповные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Голицынский Д.М., Большаков Э.Л., Чижов C.B. Применение набрызгбетона для закрепления горных выработок, сооружаемых в протерозойских глинах. Инженер Путей Сообщения №1, СПб, 1997г, стр. 78-80.

2. Чижов C.B. «Организация технологического процесса по возведению набрызгбетонных обделок вспомогательных выработок метрополитена, сооружаемых в протерозойских глинах». СПб, ПГУПС, сборник «Неделя науки 1997», стр. 76-77.

3. Чижов C.B. Определение эксплутационной надёжности качественного состояния набрызгбетонных обделок вспомогательных выработок метрополитена СПб, ПГУПС, сборник «Неделя науки 1998г», стр. 82.

4. Голицынский Д.М., Чижов C.B. О долговечности тоннельных обделок из набрызгбетона Подземное пространство мира №2-3, М. 1998г, стр. 30-32.

5.Свитин В.В., Чижов C.B. Системный анаши надежности обделок из набрызгбетона. Альманах научно-технической информации №3, Подземное пространство мира 1998г., стр.30-32.

Подписано к печаги 30 .09.98 г. Усл.п.л.1,5

Печать офсетная Бумага для мнохит. апп. Форма! 60x84- 1/16

Тира* 100 экз. Заказ №

Тип. ПГУПС 190031 С41етербург, Московский пр.,9

/%/ - а и* ^ / Я 0

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Инженер С.В. Чижов

На правах рукописи

НАДЁЖНОСТЬ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ИЗ НАБРЫЗГБЕТОНА, СООРУЖАЕМЫХ В ПРОТЕРОЗОЙСКИХ ГЛИНАХ.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Специальность - 05.23.15 «Мосты и транспортные тоннели».

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Д.М. ГОЛИЦЫНСКИЙ

Санкт-Петербург 1998г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение.......................................................................................И

1. Критический обзор совершенствования технологий сооружения тоннельных обделок из набрызгбетона, возводимых в протерозойских глинах......................................................................................Г.

1.1 Анализ подходов к решению задачи обеспечения надёжности обделок подземных сооружений.................................................................У:

1.2 Анализ практики возведения конструкций постоянных тоннельных обделок из набрызгбетона вспомогательных выработок Петербургского метрополитена..........................................................................

1.2.1 Общая характеристика выработок и технологии их возведения....................................

/2

1.2.2 Анализ технологического оборудования, применённого для возведения набрызгбетонных обделок...................

.....................................и

1.3 Постановка задач исследования....................................................V??

Выводы по главе 1.....................................................................

2. Определение критериев надёжности конструкций тоннельных обделок из набрызгбетона...........................

..............................................З.В

2.1 Основные положения.................... .............................................Я

2.2 Разработка методики обеспечения надёжности конструкций постоянных тоннельных обделок из набрызгбетона, возводимых в грунтах типа

¿¡г

протерозойских глин.........................г....................................."..г.

2.3 Анализ статической работы набрызгбетонных обделок в период начальной безотказности и при их дальнейшей эксплуатации. ..........;. 5.4.

2.4 Обеспечение достоверности исследований.,,...:....................

Выводы по главе 2.......1.... ,-.*•> .....-■•- . - ■. .^тт:.................................? /

3. Натурные обследования конструкций набрызгбетонных обделок эксплуатируемых выработок Петербургского метрополитена и лабораторные испытания отобранных образцов......... ........................п

3.1 Проведение натурных обследований................................................7л?.

3.1.1 Методика натурных обследований.................................................У.5.

3.1.2 Условия работы конструкций набрызгбетонных обделок на Петербургском

метрополитене.........................................................................УУ

3.1.3 Выявленные повреждения набрызгбетонных обделок........ ................у$

3.20пределение эксплутационной надёжности качественного состояния

обследованных конструкций обделок................................................

3.4 Результаты лабораторных испытаний отобранных образцов...... ............9я

Выводы по главе 3............................................... ш

4. Обеспечение надёжности конструкций обделок из набрызгбетона............/¿^

4.1 Исследования надёжности конструкций обделок на математических

¿ОЦ

моделях.....................................................................................'¥1

4.2 Повышение надёжности эксплуатируемых набрызгбетонных обделок применением защитных покрытии...................................................>х 1

4.3 Применение результатов исследования в практике подземного

строительства.............................................................................

Выводы по главе 4........................................................................

Общие выводы..........................

...................................................м

Литература................................................................................

Приложения..............................

......................................................№

1. «Технические условия на сухие смеси для набрызгбетона».....................

2. «Рекомендации по применению набрызгбетона в протерозойских глинах»...

ВВЕДЕНИЕ.

Возведение обделок подземных выработок, обеспечивающих восприятие нагрузок от горного давления, является наиболее ответственным этапом сооружения объектов подземного строительства. Это обуславливает необходимость проектировать и сооружать обделки, которые способны обеспечивать устойчивость массива пород в течении длительных сроков эксплуатации (100 и более лет).

Надёжность обделок подземных выработок во многом определяется долговечностью материала из которого эти обделки возводятся. Длительные сроки эксплуатации подземных выработок, разнообразие инженерно-геологических условий, атмосферных воздействий, агрессий среды приводит к тому, что обделки проектируются с большим запасом прочности. Это приводит к переборке поперечного сечения, повышенному расходу материала, удорожанию объекта и при этом не всегда способствует увеличению срока службы выработок.

Вместе с тем, повышение скорости сооружения объектов, снижение стоимости строительства связано с применением новых прогрессивных технологий их возведения. Применение современных материалов и оборудования при сооружении обделок, способов ведения проходческих работ позволяет назначать размеры поперечных сечений обделок отвечающие требованиям прочности при минимальных затратах материала конструкций, что возможно при учёте долговечности материала из которого эти обделки сооружаются.

Одним из наиболее перспективных способов возведения обделок подземных сооружений в транспортном строительстве является применение набрызгбе-тона.

Преимуществами этого способа возведения обделок являются:

- меньшая трудоёмкость и стоимость возведения обделки,

- возможность управлять горным давлением и тем самым значительно снижать нагрузки на конструкцию,

- отсутствие необходимости устройства опалубки,

- отсутствие необходимости проведения уплотнения бетонной смеси и нагнетания за тоннельную обделку,

- возможность использования набрызгбетона как временного крепления и при дальнейшем увеличении толщины использовать его как постоянную обделку,

- возможность использовать набрызгбетон как самостоятельно, так и в любых сочетаниях с другими конструктивными элементами (анкеры, сетка, арки, фибры и др.)

Набрызгбетон в качестве материала для возведения постоянных обделок в мировой практике, особенно в слабых породах стал применяться сравнительно недавно.

Для решения конкретной практической задачи применения набрызгбетон-ных обделок в слабых породах за последние 25 лет кафедрой «Тоннели и метрополитены» ЛИИЖТа с 1974 по 1985гг. была выполнена большая научно-практическая работа, которая включала проведение натурных исследований, лабораторные испытания, а также исследования на моделях из эквивалентных материалов. Были изучены вопросы напряженно-деформированного состояния системы обделка - горный массив, разработана оптимальная конструкция набрыз-гбетонных обделок, отработана оптимальная технология приготовления, транспортировки, хранения и нанесения смеси, на основе отечественного не исключающая и применение импортного оборудования.

Большой вклад в исследование свойств и технологии нанесения набрызгбетона при строительстве подземных сооружений в слабых породах внесли Д.М Го-

лицынский, Ю.С. Фролов, П.В. Степанов , В.В. Лайкин и др.

Вместе с тем, развитие этого метода возведения постоянных обделок подземных выработок в транспортном строительстве не находит достойного развития. Причинами сдерживающими дальнейшее применение набрызгбетона являются:

- слабая нормативная база (имеется только ВСН 126-78 «Инструкция по применению анкеров и набрызгбетона в качестве временной крепи выработок транспортных тоннелей», различные ведомственные рекомендации) для применения набрызгбетона вообще и в качестве постоянных обделок в частности, не отражающая специфики надёжности набрызгбетонных обделок,

- сравнительно небольшой практический опыт применения набрызгбетона, особенно в слабых породах, поскольку отсутствуют данные о надёжности набрызгбетонных обделок в долговременной перспективе, в том числе и в нормативной документации.

- отсутствие методик оценки надёжности конструкций обделок из набрызгбетона, являющихся тонкослойными конструкциями, а также возможности прогнозирования изменения их свойств при проектировании и в процессе эксплуатации.

Работа, представленная автором, направлена на устранение перечисленных недостатков, что позволяет говорить об её актуальности.

Исследования, выполненные в рамках диссертации являются продолжением предшествующих исследований и фокусируются на вопросах надежности набрызгбетонных обделок в долговременной перспективе.

Анализ надёжности набрызгбетонных обделок основывается на данных, полученных в результате натурных обследований, проведённых автором на эксплуатируемых выработках с набрызгбетонными обделками, возведёнными в 19741985гг. на Петербургском метрополитене.

Отобранные образцы были испытаны в лабораториях кафедр «Тоннели и метрополитены», «Строительные материалы», «Прикладная химия» Петербургского государственного университета путей сообщения.

На основе полученных материалов, установлено качественное состоянии обделок, а также характер повреждений набрызгбетонных обделок, проявившиеся через 10-20 лет после их сооружения.

Исследование вопроса надёжности таких обделок потребовало решения ряда вопросов, связанных с разработкой критериев надёжности применительно к набрызгбетонным обделкам, привлечения данных натурных наблюдений и лабораторных испытаний, а также анализе проектной и рабочей документации на сооружение конструкций из набрызгбетона.

Тема диссертации соответствует «Комплексной целевой программе по достижению высшего мирового технического уровня в транспортном строительстве», а также планам НИР по совершенствованию технологий сооружения тоннелей Петербургского метрополитена.

1.Критический обзор совершенствования технологии сооружения тоннельных обделок из набрызгбетона, возводимых в протерозойских глинах.

В данной главе рассматриваются подходы к обеспечению надёжности обделок подземных сооружений и строительных конструкций. Выявляются отличительные особенности набрызгбетонных обделок от сборных и монолитных. Поскольку технологические факторы возведения обделок, исходные материалы бетонной смеси оказывают значительное влияние на фактическую надёжность конструкций обделок, проводиться анализ технологии их возведения, машин и оборудования, на основе обобщения опыта сооружения таких обделок в протерозойских глинах в условиях Петербургского метрополитена.

1.1 Анализ подходов к решению задачи обеспечения надёжности обделок подземных сооружений.

Для выяснения подходов к решению вопросов надёжности обделок подземных сооружений был проведён анализ нормативных документов и работ различных авторов.

Понятие основные принципы и терминология надёжности вводится ГОСТ 27.002 - 89 «Надёжность в технике». Стандарт даёт только общие понятия и тре-

бует проведения процедуры нормирования надёжности применительно к каждому конкретному объекту.

Разработка понятий надёжности в области строительства осуществлялась авторами: Болотиным В.В., Ржаницыным А.Р., Тимашевым С.А., Гнеденко Б.В., Беляевым Ю.К., Соловьёвым А.Д., Авиром Л.С. в области сборных зданий и сооружений, Ермолаевым Н.Н, Михеевым В.В. в области оснований и фундаментов. В этих работах [6,7,8,9,14,20,73] проводится анализ надёжности и разрабатываются методологические основы решения задач, связанных с этим понятием. Конструкции, рассматриваемые этими авторами имеют длительные сроки эксплуатации, а расчёт прочности конструкций не учитывает изменение их несущей способности в процессе эксплуатации. Надёжность разрабатывается авторами как комплексное понятие, обладающее несколькими свойствами.

Для их описания используется аппарат теории вероятности, а под надёжностью понимается вероятность безотказной работы в течении всего срока эксплуатации сооружения. Этими исследователями разработаны общие принципы и методология надёжности применительно к строительным объектам, но они не затрагивают надёжности подземных сооружений.

В области строительства подземных сооружений понятие надёжности приводится Булычёвым Н.С. Им проводится анализ методики Вихура А. по оценке надёжности крепи стволов шахт с использованием экономического критерия [15,16].

Применительно к тоннелям метрополитенов надёжность обделок исследуется Гарбером В.А. [6,7] Им предлагается надёжность количественно оценивать показателями долговечности и резервирования, а под надёжностью тоннельных сооружений понимается вероятность того, что они будут обеспечивать беспрепятственный пропуск поездов и пассажиропотоков в течении определённого промежутка времени. Для вычисления количественных значений избыточности и долговечности тоннельных сооружений метрополитена предлагается использовать расчётную математическую модель.

При этом расчёт может осуществляться в два этапа. На первом этапе определяется реальный уровень избыточности по несущей способности на момент обследования. На втором этапе разрабатывается модель старения, учитывающая изменение физико-механических свойств материала обделки. Математическая модель строится на основании данных, полученных в результате натурных наблюдений за состоянием конструкций обделок в Процессе эксплуатации.

Автором проводится систематизация возможных дефектов обделок по степени значимости как критический, значительный и малозначительный дефект. Применение реальных данных, полученных в ходе натурных обследований позволяет получить автору достоверные и представляющие практическую ценность результаты. Но поскольку автор ограничивается анализом только эксплутационных факторов и не затрагивает вопросов технологии возведения обделок и вопросов их проектирования, то задача обеспечения надёжности тоннельных обделок на всех этапах жизненного цикла объекта остается открытой.

Ведутся исследования надёжности тоннельных обделок коллективом под руководством Индейкина A.B. В этих исследованиях изучаются вопросы влия-

и и .< *

ния динамических воздействии от подвижного состава на надежность обделок.

Из зарубежных исследований известны работы Кастерли JI, Тестор Р, Шикмана Д, Блюма Р. в которых надёжность обделок рассматривается как вероятностная величина. Исследования этих авторов направлены на изучение свойств материала, без учёта технологии их возведения и условий эксплуатации.

Указанные исследования расширяют понятие надёжности применительно к объектам подземного строительства, но не затрагивают надёжности конструкций обделок из набрызгбетона.

Общим является то, что в исследованиях названных учёных надёжность рассматривается как вероятностная величина. Причём под надёжностью подразумевается комплексное понятие, обладающее свойствами долговечности безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и др.

Вопросы надёжности набрызгбетонных обделок в технической литературе практически не освещались. Можно отметить только работу Голицынского Д.М. «Оценка надежности туннельных обделок из набрызгбетона» в которой намечаются пути решения этой проблемы [2].

Отличительными особенностями набрызгбетонных обделок от монолитных и сборных обделок являются:

- тонкослойность конструкции (обычно от 50 до 200мм),

- плотный контакт окружающего массива пород и набрызгбетонной обделки, работающей в режиме взаимовлияющих деформаций,

- отсутствие чётко выраженных швов и стыковых соединений,

- повышенная плотность бетона, обусловленная технологией нанесения,

- неоднородность свойств набрызгбетона по всей толщине слоя, наносимого за один приём.

Необходимость изучения надёжности обделок из набрызгбетона на основе данных о старении материала конструкций под воздействием внешних сред, полученных при долговременных наблюдений, была осознана при сооружении Се-веро-Муйского и Байкальского тоннелей БАМ. При участии Северобайкальской лаборатории строительства тоннелей БАМ, Тындинской мерзлотной станции ЦНИИС, Бамтоннельстроя было осуществлено сооружение опытных участков с постоянной обделкой из набрызгбетона.

Были проведены наблюдения за напряжённо-деформированным состоянием обделок, экспериментальные исследования технологии гладкого взрывания, разработана система полуавтоматического обуривания шпуров по контуру выработки, изучены вопросы теплообмена между массивом пород, обделкой и атмосферой. Были получены разнообразные данные, но они не были доведены до формализованного описания надёжности набрызгбетонных обделок.

Попытка повлиять на надёжность на стадии проекта была предпринята Петровым Г.Ф. (СибЦНИИС), которым была разработана методика прогнозиро-

- н-

вания заданных свойств набрызгбетона [52]. На основе данных были получены различные эмпирические зависимости.

Использование полученных этим автором многофакторных математических моделей позволило