Надежность тоннельных обделок из набрызгбетона, сооружаемых в протерозойских глинах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.15, кандидат технических наук Чижов, Сергей Владимирович

• Чижов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чижов, Сергей Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение

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

1.1 Анализ подходов к решению задачи обеспечения надёжности обделок подземных сооружений

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

1.3 Постановка задач исследования

Выводы по главе 1

2. Определение критериев надёжности конструкций тоннельных обделок из набрызгбетона

2.1 Основные положения

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

¿¡г

протерозойских глин

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

2.4 Обеспечение достоверности исследований.,,...:

Выводы по главе 2

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

3.1 Проведение натурных обследований

3.1.1 Методика натурных обследований

3.1.2 Условия работы конструкций набрызгбетонных обделок на Петербургском

метрополитене

3.1.3 Выявленные повреждения набрызгбетонных обделок

3.20пределение эксплутационной надёжности качественного состояния

обследованных конструкций обделок

3.4 Результаты лабораторных испытаний отобранных образцов

Выводы по главе 3

4. Обеспечение надёжности конструкций обделок из набрызгбетона

4.1 Исследования надёжности конструкций обделок на математических

¿ОЦ

моделях

4.2 Повышение надёжности эксплуатируемых набрызгбетонных обделок применением защитных покрытии

4.3 Применение результатов исследования в практике подземного

строительства

Выводы по главе 4

Общие выводы

Литература

Приложения

1. «Технические условия на сухие смеси для набрызгбетона»

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Надежность тоннельных обделок из набрызгбетона, сооружаемых 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-

Заключение диссертации по теме «Мосты и транспортные тоннели», Чижов, Сергей Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1.Решение вопроса по оценке надежности набрызгбетонных обделок прр длительных сроках эксплуатации, при развитии нормативной базы, позволит научно обоснованно применять набрызгбетонные обделки в практике подзем ноге строительства.

2. Установлены критерии надежности набрызгбетонных обделок на этапа* проектирования, сооружения и эксплуатации. Это позволит, с учетом развита* нормативной базы, обоснованно применять набрызгбетонные обделки в конкретных условиях подземного строительства.

3. Разработана методика оценки надежности набрызгбетонных обделок не 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 этапе проектирования методика позволяет:

- спрогнозировать сроки службы набрызгбетонных обделок, при заданном классе эксплуатационной надежности сооружения;

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

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

6. На этапе сооружения обделки методика позволяет:

- управлять технологическими параметрами возведения обделки;

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

7. В процессе эксплуатации методика оценки надёжности набрызгбетонных обделок позволяет в любой период времени:

- объективно оценить существующий класс эксплуатационной надёжности участков обделок;

О о и

- дать долговременный прогноз и рекомендации по их дальнейшей эксплуатации;

8. Получены зависимости, характеризующие эксплуатационную надежность обделок, которые позволяют научно обоснованно назначать основные параметры набрызгбетонных конструкций и технологий их возведения.

9. Спрогнозированы сроки службы обделок эксплуатируемых выработок Петербургского метрополитена. Прогноз сроков службы набрызгбетонных обделки обследованных выработок показывает, что 2 и 3 класса надёжности обделки достигнут при различных сроках службы. Набрызгбетонная обделка нижнего вентиляционного узла шахты №527 достигнет к 75 годам с момента её сооружения. Обделка сбойки №28 к 60 годам, обделка камеры у шахты №218 к 50 годам. Такие различия объясняются неодинаковостью структурных свойств конструкций обделок, заложенные при их сооружении.

10. На основе натурных, лабораторных и модельных исследований надежности и долговечности набрызгбетонных обделок разработаны рекомендации по применению набрызгбетона в протерозойских глинах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чижов, Сергей Владимирович, 1998 год

Список литературы:

1 .ВСН - 126-78 Инструкция по применению анкеров и набрызгбетона в качестве временной крепи выработок транспортных тоннелей.

2.СНиП Ш- 44-88 Техника безопасности в строительстве.

3. Правила техники безопасности при строительстве тоннелей и метрополитенов.

4.Д.М.Голицынкий, Я.И Маренный «Набрызгбетон в транспортном строительстве», Москва, Транспорт 1993г.

5. Е.В. Стрельцов, Э.В. Казакевич, Д.И Пономаренко «Крепление горных выработок угольных шахт набрызбетоном», Москва, Недра, 1978.

6.Технологические правила применения набрызгбетона при ремонте и реконструкции инженерных сооружений МПС, Москва, «Транспорт» 1978 .