Обоснование методологии и разработка инновационных технических решений освоения подземного пространства мегаполисов

определение вариантов литотипов пород, в которых возможно строительство подземных сооружений;

составление поинтервальных разрезов в определенных точках территории города с фиксацией полученных схем взаимодействия литотипов горного массива с параметрами подземного сооружения;

анализ полученных схем, с точки зрения использования существующих методов подготовки массива, и способов строительства подземных сооружений;

разработку системы привязки точек, в которых характеризуются по глубине геолого-технологические условия строительства подземных сооружений;

сбор и анализ информации об инженерно-геологических свойствах пород и их обводнённости.

На основании анализа семнадцати типов массива выделены три типа территорий, характеризующихся разной степенью пригодности для подземного строительства в Москве (рис.2).

Все типы горно-геологических условий разделены по основному признаку - стоимости комплекса мероприятий по борьбе с водой в период строительства и эксплуатации. Так, для первой группы она составляет до 30% стоимости возводимых сооружений, для второй - от 30 до 50%, для третьей - более 50%.

I тип территории на глубине до 10-15 м приурочен к участкам моренных возвышенностей, моренно-флювиогляциальных равнин, первой и второй пойменных террас р. Москвы с глубиной залегания грунтовых вод более 10м.

По величине параметров мульды оседания или призмы обрушения рекомендуется рассматривать три подтипа территории: I', I", I'".

Подтип I' - породы представлены преимущественно моренными суглинками мощностью 10 - 20 м, в основании сооружений - суглинки или пески.

Подтип I" - породы представлены песками мощностью 5-6 м, которые подстилаются суглинками мощностью 10-16 м.

Пески крупнозернистые, различной плотности, с прослоями супесей, суглинков, песков рыхлого сложения.

Суглинки - с прослоями песков, с включениями валунов.

Подтип I'" - породы представлены преимущественно песками различной зернистости и плотности, определяющими их прочностные показатели. Характерно наличие прослоев песков рыхлого сложения, линз иловатых супесей и суглинков. Мощность песков 10 - 20 м. Пески повсеместно подстилаются глинами и суглинками.

II тип территорий на глубине 10-15 м приурочен к участкам моренных возвышенностей, флювиогляциальных равнин, долинному комплексу р. Москвы и ее притоков с глубиной залегания грунтовых вод до 10 м, а также зонам, потенциально опасным по возможности проявления карстово-суффозионных явлений.

Рис. 2. Геолого-технологическое районирование территории Москвы:

I - территории, наиболее благоприятные для подземного строительства;

II - умеренно благоприятные для подземного строительства территории;

III - территории, неблагоприятные для подземного строительства.

Подтип II' - породы представлены моренными суглинками мощностью до 10 м, которые подстилаются обводненными песками.

Подтип II" - породы представлены обводненными песками мощностью 10-16 м.

Подтип II'" - породы представлены преимущественно крупнозернистыми песками с подчиненными прослоями суглинков, супесей, иловатых разностей при потенциально опасной возможности проявления карстово-суффозионных процессов с глубиной залегания грунтовых вод более 10 м. Мощность песков - от 10 до 30 м.

III тип территорий приурочен к долинному комплексу р.Москвы и р.Яузы, к зоне, где возможно проявление карстово-суффозионных процессов.

В зависимости от глубины залегания грунтовых вод, наличия в толще прослоя суглинков рекомендуется рассматривать три подтипа территорий- III', III", III'". Это самый неблагоприятный тип территорий для подземного строительства, характеризующийся разнозернистыми водонасыщенными песками, отсутствием водоупорных глин и наличием гидравлической связи отдельных водоносных горизонтов.

Для каждого конкретного типа и подтипа территорий определены возможные негативные процессы в период строительства подземных сооружений (активизация карстово-суффозионных процессов при нарушении существующего гидрогеологического режима, прорывы воды, плывунов и др.), а также методы подготовки и способы воздействия на массив горных пород, вмещающий подземное сооружение. Надежную работу подземного объекта гарантирует принятие оптимальных инженерных решений, найденных для всех основных признаков (тип сооружения, его объемно-планировочное решение, методы подготовки массива, способы строительства) с учетом взаимосвязей между ними и характеристик породного массива.

Таким образом, полученные результаты подтверждают, что метод прогнозирования целесообразности строительства подземных сооружений в зависимости от глубины заложения объекта, типа вмещающих пород, степени обводненности массива с точки зрения технических возможностей, экономических и экологических последствий принимаемых решений необходим.

Предложенный подход к оценке горно-геологических условий с точки зрения пригодности для подземного строительства включает также разработанные организационно-технические мероприятия по защите подземного сооружения от подземных вод в период его строительства и эксплуатации.

В четвертой главе диссертации рассматривается методика оценки рисков возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, включающая выявление основных видов проявления рисков, рискообразующих факторов, методов управления рисками.

Создание рискобезопасных технологий возможно только на основе овладения методами управления рисками. Разработка методов управления рисками в подземном строительстве с целью предотвращения или локализации их негативных проявлений и повышения жизнестойкости сооружений в экстремальных и чрезвычайных ситуациях имеет важное народнохозяйственное значение для строительной индустрии.

Строительство подземных сооружений характеризуется динамизмом и высокой степенью неопределенности, поэтому фактор риска - неотъемлемый атрибут освоения подземного пространства мегаполисов.

Под фактором риска понимается вероятность (опасность) возникновения ситуации, при которой система не способна бесперебойно выполнять возложенные на нее функции в течение запланированного срока службы.

Разработана классификация и проведена систематизация рисков по ряду признаков, позволяющая их идентифицировать, выявлять слабые места в создаваемых и эксплуатируемых природно-технических системах «массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда». Принятая концепция «приемлемого риска» позволила в этих системах использовать принцип прогнозирования возможного рискового события.

В условиях сложившегося современного подхода к освоению подземного пространства проблема техногенной опасности и эколого-техногенных рисков приобретает особое значение для районов города, где сосредоточена развитая транспортная и коммуникационная инфраструктура, имеется историческая застройка в сочетании со значительным износом большого количества ранее созданных подземных объектов и сложной социально-экономической обстановкой. При этом должен оцениваться риск не только для нормальных условий эксплуатации подземных сооружений города, но и для случаев аварий с разрушением несущих конструкций, резервуаров, выходом загрязняющих веществ в окружающую среду.

Минимизировать риски можно только при их идентификации и выработке методов снижения единичных (частных) рисков, являющихся компонентами комплексного показателя риска.

Установлены основные причины нарастания тенденции негативных рисков при освоении подземного пространства мегаполисов: возрастание концентрации, плотности подземного строительства и степени его энергонасыщенности; недостаточный уровень и недооценка роли информационного обеспечения принимаемых проектных, технологических и технических решений; критический уровень износа оборудования; нарушения производственной и технологической дисциплины; ослабление роли государственных органов контроля и управления; проблемы правовой и экологической культуры исполнителей и руководителей всех уровней и др.

Главной причиной рисков в подземном строительстве является отсутствие достаточно полной и объективной информации о закономерностях возникновения и развития процессов в ПТГС «массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда», приводящих к потере ее структурно-функциональной и вещественно-энергетической устойчивости.

В работе рассмотрены фундаментальные вопросы управления рисками в подземном строительстве и отмечена ведущая роль информационного обеспечения в определении стратегии такого управления, которое должно строиться с учетом сложности, активности и нелинейности создаваемых и эксплуатируемых в подземном пространстве природно-технических систем.

При этом должны учитываться следующие положения:

1. По мере совершенствования информационного обеспечения строительных геотехнологий и углубления знаний о закономерностях процессов в рамках этих технологий сопровождающие их аномальные эффекты могут переходить в разряд прогнозируемых, а соответствующие риски - в разряд управляемых.

2. При изучении геологической среды и процессов различной физической природы в зонах освоения подземного пространства, а также особенностей функционирования и взаимодействия расположенных в этих зонах ПТГС, необходимо в качестве приоритетной обозначить проблему повышения качества информационного обеспечения освоения подземного пространства за счет комплексирования методов инженерной геологии, горной геофизики, геомеханики и геодезии.

3. Подземное пространство как сложная активная и нелинейная ПТГС, которая характеризуется совокупностью как целенаправленных функциональных, так и нефункциональных связей, требует контроля ее отдельных элементов и подсистем с учетом их возможного взаимовлияния в режиме непрерывного или дискретно-непрерывного мониторинга с привлечением различных методов неразрушающего контроля и горной геофизики, использующих широкий спектр физических явлений и полей.

4. Актуальной задачей подземного городского строительства является включение геоконтроля в качестве полноправного элемента в систему строительных геотехнологий и постепенный переход на экспертные диагностические системы, позволяющие оценивать остаточный ресурс природно-технических объектов и риск их эксплуатации. Основной задачей таких систем должна стать не фиксация отклонений нормируемых параметров (то есть наличия дефектов), а регистрация и исследование физических эффектов и процессов, предшествующих моменту перехода объектов в «дефектное» неустойчивое состояние. При этом особое внимание должно быть уделено тем из указанных эффектов и процессов, проявления которых носят нелинейный характер.

5. Планомерное, рациональное и комплексное освоение подземного пространства на основе предварительного изучения состояния породного массива с использованием современного информационного обеспечения принимаемых решений, основанных на внедрении инновационных технологий, позволит реализовать эффективное и безопасное развитие инфраструктуры городов-мегаполисов для размещения производственных, социальных и иных объектов человеческой деятельности.

В работе приведена классификация рискообразующих факторов при строительстве подземных сооружений.

Из общего состава факторов риска выделены две основные группы. Первая относится к неточностям представлений разработчиков о прогнозном состоянии внешней среды проекта строительства. Вторая группа факторов риска связана с возможными ошибками и неточностями в определении внутренних характеристик проекта строительства.

Помимо рискообразующих факторов выделены факторы, определяющие уровень риска. Эти факторы классифицированы по следующим категориям и признакам:

по степени влияния на деятельность строительной организации;

по степени управляемости строительной организацией;

по характеру воздействия на риск;

по источнику возникновения рисковых факторов.

Ключевой момент подготовительного этапа организации управления рисками при строительстве подземных сооружений - оценка уровня и допустимого предела рисков для строительной организации. При этом целесообразно проводить качественно-количественную (комбинированную) оценку риска. Качественная оценка призвана определить возможные виды риска, факторы, влияющие на его уровень при строительстве подземных сооружений. Кроме того, качественный анализ включает в себя также методологический подход к количественной оценке приемлемого уровня риска.

Приведенная классификация интегральных рискообразующих факторов позволяет сформировать системный подход к ПТГС «массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда», который подразумевает:

выявление доминирующих рискообразующих факторов;

выявление уровня значимости каждого из элементов;

выявление взаимосвязей внутри системы.

Данный системный подход предопределяет установление количественных критериев, характеризующих уровень экологической, экономической, технологической и эксплуатационной безопасности при строительстве подземных сооружений.

Методологические принципы принятия решения в отношении рисков следует разделить на два блока:

- идентификация опасностей, оценка воздействия и его последствий, характеристика риска и сравнение его с другими рисками с целью определения степени приемлемости и выработки приоритетного направления;

- разработка планов действия по снижению и контролю риска, оценка их эффективности и выработка рекомендаций для принятия решения.

Независимыми переменными, по которым оценивается риск, являются время и ущерб, а для оценки (прогноза) риска необходимо определять частоту реализаций опасных событий и ущерб от них.

Вероятность возникновения аварийной ситуации тесно связана с надежностью функционирования системы. Чем дольше система может противостоять воздействию негативных факторов риска, тем меньше угроза возникновения аварийных ситуаций.

Повышение надежности системы автоматически приведет к снижению риска возникновения аварийных ситуаций.

К основным методам управления риском относятся: административно-правовые; инженерно-технические; финансово-экономические.

Для принятия эффективных управленческих решений в сфере безопасности жизнедеятельности необходима количественная информация о величине риска и его зависимости от различных факторов.

В основе реализации главной цели управления рисками лежат:

- «пассивные действия» (учет факторов риска технологической цепочки, разработка аварийных сценариев по предотвращению угрозы возникновения или ликвидации аварийных ситуаций);

- «активные действия» (замена звена технической цепочки, являющегося фактором, способствующим возникновению аварийной ситуации, или всей технологии в целом).

С этих позиций в работе проанализированы все этапы строительства подземного сооружения и каждая технологическая цепочка как при подготовке массива, так и при строительстве.

Такое исследование позволило с учетом всех факторов риска, выявить оптимальные критерии проведения технологического процесса, сравнить технологии и выбрать оптимальный вариант строительства подземного сооружения.

Снижение риска возникновения аварийных ситуаций возможно при наличии банка данных, учитывающих сложности горно-геологических условий, и ведении мониторинга состояния массива по трассе предполагаемого строительства.

Обеспечение жизнеспособности подземного сооружения невозможно без надежной работы обделки, особенно при использовании технологий подготовки массива, обеспечивающих упрочнение пород только на период строительства, так как в период эксплуатации обделка начинает испытывать негативное влияние процессов, происходящих как в массиве, так и в самом подземном сооружении, особенно в канализационном тоннеле. Поэтому при проектировании обделки необходимо учитывать все факторы риска, приводящие к возникновению аварийных ситуаций.

В работе рассмотрены факторы, которые влияют на жизнестойкость канализационных коллекторов. Из них выделены три группы факторов:

А. Внешние, характеризующие негативное влияние процессов, происходящих в массиве и в наземной инфраструктуре города;

Б. Внутренние, зависящие от функционального назначения объекта;

В. Факторы, связанные с технологическими просчетами в период строительства, которые обнаруживаются в процессе эксплуатации.

В основе классификации лежит сущность процессов, вызывающих негативные последствия, согласно которой факторы подразделяются на физические, химические, биологические, технологические.

При исследовании причин возникновения рисковых ситуаций в конкретной сложной природно-технической системе «канализационный коллектор - окружающая среда» учитывалось синергетическое действие этих процессов. Обобщение данных показывает, что рассматриваемая ПТГС является системой, в которой одновременно действуют факторы риска возникновения аварийной ситуации как внутри коллектора, так и со стороны вмещающего массива. При этом собственно технология выемки породы при строительстве магистральных коллекторов в различных по сложности горно-геологических условиях и горнопроходческая техника достигли очень высокого уровня развития и в настоящее время нет необходимости их совершенствовать.

«Слабым звеном» в этой системе является обделка коллекторных тоннелей, от качества изготовления которой и ее конструктивных решений зависят долговечность и эксплуатационные показатели подземного сооружения.

Концепция «приемлемого риска» позволила установить, что надежность функционирования системы «канализационный коллектор - окружающая среда» увеличится за счет модернизации существующей (типовой) обделки кабельных и канализационных коллекторов или разработки коллекторных обделок нового технического уровня.

В настоящее время все канализационные коллекторы имеют комбинированную обделку, состоящую из трапециевидных блоков (несущее кольцо) и вторичной обделки (монолитное железобетонное кольцо). Эта обделка имеет ряд существенных недостатков, которые влияют на долговечность и технико-экономические показатели строительства и эксплуатации коллекторов.

Модернизация существующей технологии крепления канализационных коллекторов заключается в увеличении долговечности обделки за счет оптимизации конструктивных параметров стыковых соединений и взаимного расположения смежных блоков в обделке, оптимизации толщины слоев обделки и устройстве защитного слоя - футеровки из штучных коррозиестойких материалов на основе каменного литья.

Коллекторные обделки нового технического уровня - это обделки, разработанные на основе комплексного учета функциональных, технических, экологических и экономических требований, основанных на результатах фундаментальных научных исследований в области механики подземных сооружений, строительных материалов, экологии, экономики и обеспечивающих достижение таких технико-экономических показателей при строительстве и эксплуатации коллекторных тоннелей, которые по своему уровню значительно превосходят все прежние аналоги и недостижимы при традиционных подходах к совершенствованию конструкций. Эти исследования нашли свое отражение в 5-й и 6-й главах диссертации.

В пятой главе надежность рассматривается по фактору несущей способности обделок в эксплуатационной стадии работы конструкции.

В расчетной схеме определения реальной надежности сборных кольцевых тоннельных обделок геометрическая составляющая их конструктивной схемы определяется следующими показателями: глубиной заложения , диаметром кольца , его толщиной , количеством сегментов n, их формой, типом стыка и его характерных параметров, а также начальной эллиптичностью el и распределением по контуру начальных эксцентриситетов приложения нормальной силы , описывающих фактическую форму кольца после завершения монтажной стадии. Помимо этого, геометрическая составляющая схемы нагружения конструкции определяется такими показателями, как размер безотпорной зоны в своде (размер сектора в радианах) и характер заполненности раствором строительного зазора.

В материальной составляющей схемы нагружения величины нагрузок (помимо глубины заложения ) определяются физико-механическими свойствами породного массива. В работе в соответствии с данными различных исследований эти свойства выражаются через единственный параметр - коэффициент крепости (в диапазоне 0,5ч4). Получены следующие зависимости для основных параметров физико-механических свойств исследуемых пород:

- модуль деформации (при );

- коэффициент Пуассона (при );

- коэффициент сцепления (при );

- угол внутреннего трения (в град.) (при ),

где R2 - величина достоверности аппроксимации.

Коэффициент бокового распора определен, как .

В материальной составляющей конструктивной схемы обделок введены следующие параметры. Это класс бетона В со значениями средних величин для начального модуля упругости и призменной прочности ,: и , а также стандартные отклонения для этих параметров: и . Кроме этого, вводится класс арматуры со значениями средних величин и стандартных отклонений для сопротивления растяжению : ,.

Для условий неглубокого заложения проанализирована надежность комбинированной конструкции с внутренним футеровочным защитным слоем из блоков каменного литья (КО). В качестве несущего слоя рассматривается широко применяемая 6-блочная обделка из трапециевидных блоков с выпукло- вогнутыми стыками с перевязкой швов между кольцами диаметрами 3,6 и 4,0 м. В качестве примера рассмотрена возможность использования и 8-блочной обделки диаметром 6,0 м из блоков такой же формы.

Проведен анализ поведения самого несущего слоя. При деформации этого слоя, помимо раскрытия стыков и перемещений в радиальном направлении, трапециевидные блоки стремятся выйти из плоскости кольца с перекрещиванием стыковых сечений. анализ поведения колец при ограничении их деформаций в осевом направлении тоннеля показал, что стесненность такого рода переходит в соответствующее ограничение на деформации в радиальном направлении, которое с расчетной точки зрения удобно учесть введением эквивалентного отпора со стороны массива.

Получены зависимости для внутренних усилий в несущем кольце комбинированной обделки.

Анализ зависимостей показал следующее:

- при значениях коэффициента крепости в диапазоне 0,5ч4 и классе бетона В30чВ60 при глубинах до 20 м потеря несущей способности в теле блоков не будет иметь места даже при отсутствии армирования;

- оценку надежности обделок следует проводить по фактору несущей способности стыков.

Разработана модель прогнозирования надежности коллекторного тоннеля. Разбросы в значениях параметров в обеих составляющих конструктивной схемы и схемы нагружения моделируются случайными величинами с известными законами распределения (т.н. базисные переменные ). Толщины слоев рассматриваются как детерминированные величины. Применяется метод вторых моментов первого порядка с использованием в качестве показателя надежности индекса надежности для несущего слоя, определяемого в пространстве нормализованных значений свойств и параметров состояния как минимальное расстояние до предельной поверхности :

,

где - прочность стыка при сжатии, - нормальное усилие в стыке.

По результатам моделирования установлена низкая надежность комбинированной обделки (КО) по фактору несущей способности стыков.

Чувствительность значений индекса надежности к изменению величин, которые следует оценивать при проектировании обделок (КО), распределена следующим образом: наибольшее влияние оказывают коэффициент крепости пород, далее класс бетона и в меньшей степени класс арматуры.

Шестая глава диссертации посвящена исследованию и разработке инновационной технологии строительства коммуникационных тоннелей с применением высокоточных железобетонных блоков с плоскими стыками (ОВТБ) нового технического уровня.

Общие требования к обделке коммуникационных тоннелей широко известны в технической литературе. Следует только отметить основные, которые были учтены при выполнении данной диссертации: высокая точность изготовления элементов обделки, оснащенных долговечными закладными деталями различного назначения; наличие уплотнений из долговечных материалов (в частности, из синтетического каучука), обеспечивающих герметичность тоннелей; высокая проницаемость растворов, нагнетаемых за обделку; коррозионная стойкость; стойкость против гидроабразивного износа; огнестойкость; плотность бетонов; адгезия полимерных материалов к бетону; удобство и быстрота монтажа в подземных условиях; обеспечение минимальных сдвижений земной поверхности после проходки и другие.

Для разработки методики определения параметров коллекторных обделок нового технического уровня было выполнено обоснование расчетных схем блочной обделки. Разработана следующая процедура расчета, учитывающая конструктивные особенности блочной обделки. На первом этапе расчета конструктивная податливость обделки в стыках между блоками не учитывается: кольцо обделки рассматривается как бесшарнирная конструкция и параметры нагрузки на обделку от воздействия горного давления и транспорта на поверхности определяются из решения контактной задачи для обделки и вмещающего породного массива в постановке плоской деформации в «снимаемых» с породного контура тоннеля напряжениях; при определении внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) учитывается собственный вес обделки, который на малых глубинах заложения при большом поперечном сечении обделки может оказать существенное влияние на величину внутренних усилий. На втором этапе расчета производится оценка изгибающих моментов в плоских стыках между блоками с изолирующими прокладками за счет их частичного раскрытия, разгружающих стыковые соединения, которые затем учитываются при определении изгибающих моментов в средних сечениях блоков. Расчет арматурного каркаса выполняется по внутренним усилиям в среднем сечении лоткового блока, где изгибающие моменты в кольце обделки достигают максимального значения при минимальном значении нормальных сил сжатия.

Проектирование арматурных каркасов высокоточных железобетонных блоков выполнено на основании приведенных расчетных рекомендаций и известных нормативных документов. Для глубины заложения тоннеля 20 м и 40 м рассматривались два варианта армирования - симметричное при одинаковом количестве арматуры во внутреннем и внешнем арматурных каркасах и несимметричное при большем количестве арматуры во внутреннем наиболее напряженном каркасе и соответственно меньшем количестве арматуры во внешнем каркасе.

Необходимое количество рабочей арматуры для внешнего и внутреннего каркасов при проектировании однотипных по сечению тоннеля блоков приведено в табл. 1. Как следует из табл. 1, несимметричное армирование блоков обделки приводит к сокращению количества рабочей продольной арматуры более чем на 30%, по сравнению с симметричным армированием, что существенно снижает стоимость обделки.

Таблица 1

Сечение рабочей арматуры внутреннего и внешнего каркаса блоков

при симметричном и несимметричном армировании

Диаметр тоннеля и глубина его заложения	Симметричное армирование	Несимметричное армирование	% экономии арматуры при несимметричном армировании по сравнению с симметричным
	Внешний каркас, см2	Внутренний каркас, см2	Внешний каркас, см2	Внутренний каркас, см2
D=3,15м, H=20м	9,34	9,34	4,51	7,71	35
D=3,15м, H=40м	13,44	13,44	6,92	11,77	30
D=4,0м, H=20м	10,93	10,93	5,08	9,61	33
D=4,0м, H=40м	15,33	15,33	6,07	14,26	34

Современные проблемы подземного строительства, дорожно-транспортного, жилищно-коммунального хозяйства и других отраслей промышленности невозможно решить без создания новых материалов, обладающих комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств, а также и новых функциональных возможностей.

Благодаря уникальному сочетанию комплекса свойств широкое применение нашли полимерные композиционные материалы (ПКМ). Это прежде всего высокопрочные, высокомодульные, легкие и высокотехнологичные материалы.

В настоящее время одним из перспективных направлений при строительстве канализационных тоннелей является использование стеклопластиков для облицовки (футеровки) железобетонных блоков с целью их гидроизоляции. Использование стеклопластиков в этом случае позволяет создать прочную, герметичную гидроизоляционную оболочку, существенно снизить массу конструкции, увеличить коррозионную стойкость и значительно повысить срок службы подземного сооружения.

Серийное производство железобетонных блоков, облицованных стеклопластиком, в мировой практике до настоящего времени не освоено. Имеются лишь отдельные экспериментальные разработки.

Анализ имеющихся материалов показал, что они представляют собой листовые стеклопластики, армированные длинными хаотически расположенными в плоскости стеклянными волокнами (армированные системы в двух направлениях), содержание которых составляет 30%, а в качестве полимерного связующего использованы композиции на основе эпоксидных смол (полиэфирных смол или их смеси).

В диссертации представлены результаты лабораторных и натурных исследований образцов отечественных и импортных составов полимерного покрытия, проведенных в лаборатории коррозии бетона института НИИЖБ. Испытания проводились по двум направлениям: ускоренные (по методике НИИЖБ) и в натурных условиях действующего канализационного коллектора. Испытания включали в себя определение массы, прочности и водопоглощения бетона в исходном состоянии; истираемости образцов в исходном состоянии; состояния поверхности образцов в исходном состоянии и после коррозионных испытаний; прочности и массы образцов после испытаний в серной кислоте и в газовой среде коллектора.

Результаты лабораторных исследований показали, что после 6 месяцев коррозионных испытаний в 5%-ном растворе серной кислоты масса образцов полимерной футеровки состава ЭК возросла на 9,2% от исходной, состава ЭПК - на 3,2%, состава ЭП - на 0,52%. Прочность образцов снизилась соответственно для составов полимерной футеровки ЭК, ЭПК и ЭП на 22,4; 11,3 и 12,4% от исходной. Образцы из мелкозернистого бетона через 1 месяц испытаний в аналогичных условиях имели потерю массы, равную 60% от исходной. Образцы имели повреждения, при которых невозможно выполнить определение прочности.

После 8 месяцев испытаний в газовой камере действующего коллектора сточных вод прочность образцов снизилась соответственно для составов полимерной футеровки ЭК, ЭПК и ЭП на 1,7; 9,1 и 9,3% от исходной. К этому времени потеря массы образцов из мелкозернистого бетона составила 7,3% от исходной, образцы имели повреждения, при которых невозможно выполнить определение прочности.

Водопоглощение по массе образцов указанных составов находится в пределах 0,03-0,07%, что косвенно указывает на низкую проницаемость полимерной футеровки для жидкости. Для сравнения водопоглощение по массе мелкозернистого цементного бетона составляет 7,9%.

Истираемость образцов полимерной футеровки определена по ГОСТ 13087-81 «Методы определения истираемости». За среднюю истираемость приняты экспериментально полученные значения Gср=0,061; 0,084 и 0,039 г/см2 образцов составов ЭК, ЭПК и ЭП (определялась разница по массе (г) и по площади истираемой поверхности (см2) рассчитывалась истираемость (г/ см2). По аналогии оценки истираемости цементного бетона указанные значения значительно меньше величины равной 0,7 г/см2, которая по ГОСТ 13015.0 требуется для железобетонных конструкций, работающих в условиях повышенной интенсивности движения.

Таким образом, образцы полимерной футеровки всех представленных ЭПК и ЭП показали высокую по сравнению с цементными бетонами стойкость в условиях воздействия 5%-ного раствора серной кислоты и газовой среды коллектора сточных вод. Прогнозные сроки защитного действия футеровки составляют для ЭК, ЭПК и ЭП соответственно около 10, 30 и 100 лет.

В диссертации приведены расчеты для металлических и полимерных анкеров, а также разработанные конструкции обделки канализационного коллектора с полимерной футеровкой и усиленным креплением полимерных листов к бетону.

Для стендовых исследований параметров высокоточных железобетонных блоков для кабельных тоннелей, а также блоков для канализационных тоннелей с полимерной футеровкой были изготовлены экспериментальные и опытные партии обделки с металлическими и полимерными анкерами.

Испытания элементов блоков проводились с целью изучения напряженно-деформированного состояния элементов, а также их прочности и трещиностойкости под воздействием горного давления и нагрузки от щитовых домкратов.

Максимальные величины относительных деформаций в полимерной футеровке при контрольных нагрузках (вертикальной и горизонтальной) составили соответственно: растяжения в середине пролета 270х10-5 и растяжения в месте расположения анкерной пластины 70х10-5, при этом трещин в полимерной футеровке не было обнаружено. В зонах размещения анкеров отслаивания от бетонной поверхности полимерной футеровки не наблюдалось.

Технология серийного изготовления высокоточных железобетонных блоков разработана для обделки кабельных и канализационных тоннелей с внутренним диаметром 2750 мм, 2850 мм, 4100 мм при применении ТПМК АГ «Херренкнехт» (Германия).

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

2

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис.. Сборная обделка тоннеля из высокоточных блоков

Блоки изготавливаются из тяжелого бетона по ГОСТ 25192-82 со следующими показателями: класс бетона по прочности на сжатие В45; марка бетона по водонепроницаемости W12; марка бетона по морозостойкости не ниже F100; значение нормируемой отпускной прочности составляет 100%.

В диссертации сформулированы также требования для разработки методики неразрушающего контроля дефектов железобетонных блоков с полимерной футеровкой, которая необходима для контроля качества обделки в процессе строительства и эксплуатации тоннеля.

В качестве объектов промышленного внедрения результатов исследований были выбраны участки для строительства кабельных и канализационных тоннелей, типичные по своим геологическим и гидрогеологическим характеристикам для Московского региона, вошедшие в перечень первоочередных объектов строительства, утвержденных Постановлением Правительства г. Москвы от 14.03.2006-№ 176-ПП и распоряжением Правительства Москвы от 24.08.2006 г. № 1661-РП (кабельный тоннель от подстанции «Угреша» диаметром 3,150 м, кабельные тоннели от ТЭЦ-21, диаметром 3,250 и 4.10 м, кабельные тоннели от подстанции «Никулино» диаметром 4,1 и 3,250 м, кабельный тоннель 3,250 м от ГТЭС-северной, кабельный тоннель от ГТЭС «Терешково» диаметром 3,150 м, опытный участок канализационного Царицынского канала и др.). Эти объекты были построены с применением тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) фирмы АГ «Херренкнехт» (Германия) с возведением обделки из высокоточных железобетонных блоков.

Институтом ГУП «Мосинжпроект» с участием автора разработаны проекты строительства кабельных коллекторов круглого сечения разных диаметров с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки»).

Мониторинг сборных конструкций блоков выполнялся в соответствии с требованиями рабочих чертежей ГУП «Мосинжпроект» РК 2419-06 и ТУ 5893-005-11653082-2007. Результаты испытаний прочности бетона блоков методом неразрушающего контроля с помощью тестера ультразвукового УК 1401 и методом со скалыванием с помощью прибора ПОС-50ГЧ согласно ГОСТ 22690-80 показали, что прочность бетона (Rу) составила от 62,5 до 74,6 МПа. За время проведения мониторинга строительства кабельных коллекторов каких-либо нарушений, связанных с приготовлением инъекционного раствора, а также с технологией инъектирования смеси в заблочное пространство, выявлено не было. Анализ систематических наблюдений за состоянием внутренней поверхности блоков показал, что протечки блоков в пройденных интервалах отсутствуют. Нагрузки образования трещин в блоках были выше контрольных величин: в блоке марки А1 - в 1,1 раза, в блоке С1 - в 1,3 раза. Контрольная ширина раскрытия трещин в блоках, составляющая 0,3 мм, была достигнута при нагрузках, превышающих контрольные величины в 1,3 раза. Испытание блока марки С1 на нагрузку, имитирующую давление от двух домкратов по 70 тс, показало, что в бетоне ни на наружной, ни на внутренней поверхности трещины не образовались, отсутствовали также местные разрушения. Результаты испытаний прочности бетона блоков в тоннеле показали, что она не менее 65 МПа, т.е. блоки отвечают своему классу бетона В45.

В результате проведенного промышленного внедрения высокоточных железобетонных блоков для строительства кабельных тоннелей без возведения вторичной обделки («рубашки») разработаны рекомендации по организации строительства с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов.

По состоянию на 31.05.2009 г. за период с мая 2007 г. с помощью четырех ТПМК фирмы АГ «Херренкнехт» ОАО «СУПР», ООО «Инжстрой-Сити- монолит», ОАО «Термосервис», ООО «Спецстрой-Инженеринг» построено более 8 км кабельных тоннелей с применением высокоточных железобетонных блоков.

Анализ опыта строительства кабельных коллекторов с применением новой технологии без возведения вторичной обделки позволяет сделать следующие выводы:

Рекомендованный для строительства кабельных тоннелей без возведения вторичной обделки тоннелепроходческий механизированный комплекс с грунтовым пригрузом фирмы АГ «Херренкнехт» типа ЕРВ 2750АЕ позволяет обеспечить незначительные просадки (около 3-5 мм) земной поверхности и сохранность проложенных коммуникаций.

Разработанные и изготовленные конструкции высокоточных железобетонных блоков позволяют достигнуть требуемой несущей способности и герметичности кабельных и канализационных коллекторов.

Для повышения надежности герметичности кабельных коллекторов в сложных гидрогеологических условиях следует дополнительно к указанному нагнетанию раствора производить инъектирование заобделочного пространства, для чего разработаны технологический регламент инъектирования и технические требования к высокоточным железобетонным блокам с повышенной несущей способностью.

Предложенная конструкция несимметричных арматурных каркасов в высокоточных железобетонных блоках позволяет более рационально перераспределить напряжения в бетоне и арматуре, что обеспечивает более эффективную работу бетона обделки, позволяет уменьшить расход арматуры более чем на 30%.

Заключение

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований решена крупная научная проблема обоснования методологии и разработки инновационных технических решений, базирующихся на установленных закономерностях формирования инфраструктуры подземного пространства мегаполисов, статической работы и эксплуатационной надежности элементов новых конструкций обделок, рискобезопасности технологических и организационных процессов строительства коммунальных тоннелей для повышения эксплуатационных качеств подземных сооружений, снижения материальных и трудовых затрат, что имеет важное значение для развития экономики городского хозяйства и ускорения научно-технического прогресса при освоении подземного пространства мегаполисов.

Основные научные и практические результаты, полученные лично соискателем, заключаются в следующем:

1. Сформулирована концепция формирования и функционирования сложных природно-геотехнических систем, к которым относятся объекты городского подземного строительства, положенная в основу методологии строительства подземных сооружений с использованием гибких управляемых технологических процессов, которая позволяет обеспечивать освоение и сохранение подземного пространства как видоизменяемого георесурса.

2. Показано, что представление подземного пространства как сложной активной и нелинейной системы требует применения различных методов контроля ее отдельных подсистем с учетом их возможного взаимовлияния в режиме непрерывного или дискретно-непрерывного мониторинга с целью сведения к минимуму возможных негативных проявлений и тем самым обеспечения основного принципа - минимизации ущерба при освоении данного георесурса.

3. Разработаны методологические подходы к геолого-технологическому районированию и зонированию территории Москвы, которые позволили определить степень пригодности участков для подземного строительства объектов различного назначения в зависимости от глубины их заложения, типа вмещающих пород, степени обводненности массива с точки зрения технических возможностей, экономических и экологических последствий принимаемых решений.

4. Установлено, что минимизация ущерба от последствий негативных проявлений природных, технических, экономических и организационных рисков является основным принципом обоснования и разработки инновационных решений городского подземного строительства, интегрированно учитывающим его особенности.

5. Несущая способность обделки коллекторного тоннеля из высокоточных блоков обеспечивается прочностью стыковых соединений и может быть увеличена за счет увеличения количества рабочей арматуры, преимущественно во внутреннем арматурном каркасе по сравнению с внешним каркасом (несимметричное армирование);

6. Применение разработанной футеровки, состоящей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и армированной стекловолокном, с высокими абразивными (на порядок выше, чем у обычных бетонов) и прочностными свойствами обеспечивает повышение срока службы канализационных коллекторов более, чем в 3 раза, сокращение стоимости строительства на 25%, снижение трудоемкости в 5 раз и сокращение сроков строительства в 4 раза.

7. Повышение эксплуатационной надежности, герметичности, долговечности кабельных и канализационных коллекторов при снижении эксплуатационных затрат обеспечивается научно обоснованными параметрами обделки нового технического уровня из высокоточных железобетонных блоков, изготовленных из тяжелых бетонов по прочности на сжатие В45, по водонепроницаемости W12, морозостойкости не ниже F100, армированных поперечными плоскими каркасами и гнутыми стержнями, объединенными в объемные пространственные каркасы, позволяющих достичь экономии металла до 30% при высокой несущей способности блоков.

8. Результаты исследований приняты к использованию в ГУП «Мосинжпроект» и в ООО «Институт «Каналстройпроект» в качестве составной части проектных разработок магистральных кабельных и канализационных тоннелей в условиях аварийного напорного режима сточных вод в виде «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных обделок проектируемых магистральных канализационных тоннелей» (2003 г.), «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных и высокоточных обделок кабельных и канализационных коллекторов» (2008 г.), вошли в «Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом»(2004 г.), в «Концепцию освоения подземного пространства и основных направлений развития подземной урбанизации города Москвы» (2007 г.), в «Концепцию формирования нормативных документов по освоению подземного пространства г. Москвы» (2008 г.).

9. Технология производства блочной обделки из высокоточных железобетонных блоков, в том числе с полимерной футеровкой для строительства кабельных и канализационных коллекторов, впервые внедрена в производство в Российской Федерации в ОАО «Моспромжелезобетон». По состоянию на 31.05.2009 г. изготовлено более 47000 блоков для кабельных тоннелей и впервые в мировой практике изготовлено 3000 блоков с полимерной футеровкой.

10. Технология строительства коммунальных коллекторов с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки») впервые внедрена в отечественной практике на предприятиях ОАО «СУПР», ООО «Инжстрой-Сити-монолит», ЗАО «Термосервис» и ООО «Спецстрой-Инженеринг». По состоянию на 31.05.2009 г. успешно пройдено за два года более 8,0 км кабельных и канализационных тоннелей в г. Москве. Впервые в мировой практике начато строительство опытного участка Царицынского канализационного коллектора с применением блоков с полимерной футеровкой.

Основные положения диссертации отражены в следующих опубликованных работах

Монографии

Левченко А.Н. Определение расчетных нагрузок на конструкции подземных сооружений. - В кн.: Инженерные задачи механики подземных сооружений (Картозия Б.А., Борисов В.Н.). -М.: МГГУ.-2001. - 161с. (§ 16).

Левченко А.Н. Учет параметров стыков при расчете сборных кольцевых обделок. - В кн.: Инженерные задачи механики подземных сооружений (Картозия Б.А., Борисов В.Н.). - М.: МГГУ. - 2001. - 161с. (§ 25).

Левченко А.Н. Направления развития методологии проектирования строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях. - В кн.: Методология проектирования строительства подземных сооружений (под ред. Корчака А.В.).- М.:Недра коммюникейшнс ЛТД.- 2001.- 416с.(§3.5)

Левченко А.Н., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды. - М.: ТИМР.- 2002. - 406 с.

Левченко А.Н., Куликова Е.Ю., Корчак А.В. Стратегия управления рисками в городском подземном строительстве. - М.: МГГУ, 2005. - 207с.

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России:

Левченко А.Н. Расчет трещиностойкости обделки магистрального канализационного тоннеля // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2001. - № 10. - С. 88-90.

Левченко А.Н., Корчак А.В. Оптимизация информационного поля выбора технологий строительства городских подземных сооружений на основе применения характеризационного анализа // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 12. - С. 5-9.

Левченко А.Н., Куликова Е.Ю., Корчак А.В.. Анализ факторов риска при строительстве городских подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 11. - С. 5-11.

Левченко А.Н. Геотехнологическая стратегия и высокие технологии освоения подземного пространства города Москвы // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 4. - С. 14-18.

Левченко А.Н., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н. Технология строительства коллекторных тоннелей без вторичной обделки с применением футеровки на основе полимерных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 7. - С. 19-25.

Левченко А.Н. Обоснование расчетных схем блочной обделки кол-лекторных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - №1. - С. 29-35.

Левченко А.Н. О новом направлении научных исследований в строительной геотехнологии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - №2. - С. 15-22.

Левченко А.Н., Куликова Е.Ю. Классификация интегральных риско-образующих факторов при строительстве городских подземных сооружений // Известия вузов. Горный журнал. - 2007. - № 2. - С.45-48.

Левченко А.Н. Некоторые методологические аспекты безопасного освоения подземного пространства в городских условиях // Горный журнал. - 2007. - № 6. - С. 75-78.

Левченко А.Н., Шкуратник В.Л., Федунец Б.И. Неразрушающий конт-роль дефектов железобетонных блоков с полимерной футеровкой, используемых для строительства канализационных коллекторов в городских условиях // Известия вузов. Горный журнал. - 2008. - № 7. - С. 91-98.

Левченко А.Н., Федунец Б.И., Ляпидевский Б.В., Пахомов А.В. Лабораторные исследования параметров высокоточных железобетонных блоков для строительства кабельных и канализационных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №12. - С. 77-90.

Левченко А.Н. Концепция оценки экономической эффективности технологий строительства коллекторных тоннелей // Известия вузов. Горный журнал. - 2009. - № 2. - С. 39-44.

Левченко А.Н. Методика оценки деформационных свойств несущего слоя обделок магистральных канализационных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 4. - С. 32-36.

Другие научные публикации

Левченко А.Н., Борисов В.Н., Павлов О.Н. Выбор и обоснование конструктивных параметров обделки и гидроизоляции магистрального канализационного тоннеля глубокого заложения в г. Москве // Проблемы строительной геотехнологии / Строительство и эксплуатация подземных сооружений и шахт. - М.: Изд-во МГГУ, 2000. - С. 75-81.

Левченко А.Н., Павлов О.Н., Борисов В.Н. Расчет сборной железобетонной обделки щитовых тоннелей с учетом характеристик стыковых соединений // Проблемы освоения подземного пространства / Сб. науч. тр. - Тула, 5-7 апреля, 2000. - С. 85-89.

Левченко А.Н., Картозия Б.А., Борисов В.Н., Павлов О.Н. Временные рекомендации по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных обделок проектируемых магистральных канализационных тоннелей. - М.: МГГУ, 2003. - 33 с.

Левченко А.Н., Куликова Е.Ю. Влияние технологий строительства городских подземных сооружений на формирование аварийного риска // Известия ТулГУ, серия: Геомеханика. Механика подземных сооружений. - Тула, 2004. - Вып. 2. - С. 184-187.

Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом / А.Н.Левченко, Б.И.Федунец, Б.А.Картозия и др.- М.: МГГУ, 2004.- 87с.

Левченко А.Н., Булычев Н.С. Искусство расчета подземных сооружений // Подземный город-2004/ Междунар. науч.-практ. конф. - М.: 2004, - С. 65-66.

Левченко А.Н., Власов С.Н. Микротоннелирование - прогрессивная технология подземного строительства. - РОБТ. - 2004. - Спецвыпуск. - С. 17-20.

Левченко А.Н., Корчак А.В. Экспертная обработка информации при проектировании городских подземных сооружений. - М.: Физматлит, Информационная математика. - №1(5). - 2005. - С. 78-86.

Левченко А.Н. Сравнительный анализ методов выбора альтернативных вариантов при проектировании городских подземных сооружений // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2005. -Т. 12, вып. 2. - С. 421-422.

Левченко А.Н., Картозия Б.А., Корчак А.В., Мельникова С.А. Геотехнологическая стратегия освоения подземного пространства г. Москвы // Китайско-Российский науч.-техн. симпозиум / Сб. науч. тр. - КНР, Пекин, 2005. - С. 397 -404.

Левченко А.Н., Ильичев В.А., Петрухин В.П., Кисин Б.Ф., Семкин В.В., Шапошников А.В. Проектирование подземной части манежа в процессе его воссоздания // Метро и тоннели. - 2005. - №2. - С. 8-11.

Левченко А.Н., Корчак А.В. Стратегия проектирования городских подземных сооружений // Информационные технологии. - 2005. - № 8. - С. 2-6.

Левченко А.Н. Классификация строительных рисков при освоении подземного пространства городов // Менеджмент в горной промышленности / Неделя горняка-2005: Мат-лы круглого стола. - М.: ООО «МИГЭК», 2005. - С.167 - 169.

Левченко А.Н. Выбор оптимальной технологии строительства городских подземных сооружений на основе информационного моделирования // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2005. -Т. 12, вып. 4. - С. 1021-1022.

Левченко А.Н. Обоснование управленческого решения при строительстве подземных сооружений // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2005. -Т. 12, вып. 4. - С. 1022-1023.

...