Конструкции обделок тоннелей должны быть запроектированы и сооружены таким образом, чтобы они обладали достаточной надежностью при возведении и эксплуатации с учетом при необходимости также и особых динамических и термических воздействий.
Основным свойством, определяющим надежность строительных конструкций и сооружений в целом, является безотказность их работы, способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы.
Транспортные тоннели в большинстве, в соответствии с положениями нормативных документов, относятся к сооружениям повышенного уровня ответственности. Это требует, для обеспечения их надежности и долговечности, не только безусловного выполнения обязательных для применения норм проектирования, строительства и содержания указанных тоннелей, но и специальных подходов к отдельным (особо ответственным) элементам конструкций тоннельных обделок.
Действующие нормативные документы, а также опыт проектирования и сооружения подземных объектов требует устраивать деформационные швы, отсекающие определенные участки сооружения друг от друга.
В нормативных документах и технической литературе по подземному строительству деформационным швам – ответственнейшим элементам тоннельного сооружения – уделено неоправданно мало внимания.
Деформационные швы в монолитной железобетонной тоннельной обделке
Тоннельные обделки – это статически неопределимые системы. Поэтому при изменении температуры конструкции, при усадке бетона конструкции, при неравномерной осадке основания, при несимметричном отпоре породы по бокам выработки тоннеля в конструкции обделки возникают внутренние усилия, которые могут приводить к трещинообразованию или разрушению частей конструкции – при этом может быть нарушена водонепроницаемость и несущая способность конструкции тоннельной обделки.
В конструкции тоннельной обделки деформационный шов – это определенной ширины поперечный перпендикулярный продольной оси тоннеля разрез конструкции его обделки. Шов разделяет тоннельную обделку на отдельные блоки (секции). В этих отдельных блоках деформации практически не зависят от деформаций соседнего блока (секции) – обделка в отдельных блоках может деформироваться в разной степени и без разрушений.
Деформационные швы обеспечивают адаптацию работы тоннельной обделки в системе «крепь-массив» при воздействии стохастических факторов, способных вызвать опасные внутренние усилия, которые могут снизить несущую способность конструкций.
Железобетонные конструкции с изменением температуры деформируются – укорачиваются либо удлиняются, а вследствие усадки бетона укорачиваются. При неравномерной осадке основания части конструкций стремятся сместиться в разных направлениях.
Главные функции конструкции деформационных швов: они должны быть водонепроницаемыми и способными работать без повреждений (оставаться водонепроницаемыми при смещении смежных участков (секций) тоннелей в различных направлениях: растяжение-сжатие, сдвиг, кручение).
Для этого разрабатываются и совершенствуются различные конструктивные элементы, позволяющие дополнять друг друга и взаимно страховать надежность всей конструкции деформационного шва.
Конструктивно герметизация деформационных швов в большинстве случаев обеспечивается вставками из упругих полимерных материалов.
Кроме того, могут дополнительно предусматриваться полимерные уплотнительные шнуры и гидрошпонки (рисунок) [1].
Вариант узла деформационного шва в монолитной ж.б. тоннельной обделке (справа вид расположения гидрошпонки)
В процессе проектирования, строительства и содержания готового тоннельного сооружения в конструкциях деформационных швов в некоторых случаях допускаются ошибки и брак.
При проектировании это:
– заложенная в конструкцию недостаточная ширина шва (ширина поперечного разреза конструкции);
– применение для заполнения шва материалов с недостаточной амплитудой деформативности (растяжения-сжатия);
– не учёт объемных деформаций в сооружении (деформаций кручения, сдвига, «клавишного эффекта» и т.п.);
– не учёт при расстановке деформационных швов геологических аномалий и резких изменений физико-механических свойств горных пород по длине сооружения;
– отсутствие в проектной документации или неполнота требований к обеспечению эксплуатационной надежности конструкций (в частности, деформационных швов);
– и др.
При строительстве это [2]:
– нарушения и отклонения от проектных решений в части обеспечения проектной ширины деформационных швов;
– применение для заполнения деформационных швов материалов, не соответствующих проектным решениям;
– не учёт при расстановке деформационных швов реальных инженерно-геологических условий по длине сооружения в соответствии с исполнительной геологической съемкой (не учет аномалий и резких изменений физико-механических свойств горных пород, выявленных при строительстве);
– и др.
При содержании это:
– отсутствие или неполнота исполнительной документации тоннельного сооружения;
– ненадлежащее ведение мониторинга (инженерных систем и горно-экологического) тоннельного сооружения.
В таких случаях часто деформационные швы становятся местом, через которое внутрь тоннеля проникают грунтовые и пластовые воды, т.е. водонепроницаемость швов необходимым образом не обеспечивается [3–5].
Кроме того, неправильно сконструированные или некачественно выполненные деформационные швы могут способствовать возникновению в секциях тоннельной обделки дополнительных внутренних усилий, которые не учитывались в расчетах – что, в свою очередь, может привести к трещинообразованию в конструкции, нарушению водонепроницаемости тела тоннельной обделки, а в дальнейшем к потере несущей способности конструкции [6].
Для расчета ширины разреза тоннельной обделки деформационным швом необходимо учесть максимально неблагоприятное сочетание факторов, действующих одновременно и вызывающих деформации конструкции обделки [7].
Для определения расстояния между антисейсмическими швами (L, м) в монолитной ж.б. тоннельной обделке можно использовать формулу по [5]:
где c1 – скорость продольных сейсмических волн в грунте, м/с; Т0 – преобладающий период сейсмических колебаний массива, определяемый в процессе изыскания, с; А – возможная максимальная амплитуда колебаний массива, см, определяемая в процессе изысканий; сейсм – допускаемое конструкцией шва продольное смещение смежных участков тоннеля относительно друг друга при расчетном сейсмическом воздействии, см.
Для снижения величины деформаций ползучести и усадки бетона могут быть применены различные подходы. Один из них – применение фибробетона при сооружении конструкции тоннельной обделки. Такое армирование применяется как в качестве дополнения к традиционному армированию конструкций стержневой арматурой, так и в качестве самостоятельного решения для тоннельных конструкций. Армирование несущих конструкций фиброй повышает морозостойкость и огнестойкость конструкции, трещиностойкость бетона конструкции, придает конструкции вязкость и стойкость от хрупкого разрушения. Другой подход – применение новой конструкции температурно-усадочного шва, позволяющей исключить применение деформационных швов [8].
Учет дополнительного наложения температурной деформации бетона также необходим в некоторых случаях. При этом значима величина максимального возможного перепада температур. Если такой перепад относительно невелик и вероятность землетрясения с максимальной магнитудой также невелика, то совместный их учет приведет к излишнему конструктивному запасу – ширина деформационного шва будет завышена [9].
С другой стороны, так как конструкция деформационного шва должна допускать взаимные продольные смещения смежных участков обделки при их деформациях без силового воздействия секций обделки друг на друга, фактическая ширина шва должна быть увеличена.
Из опыта расчетов этой величины ширина деформационного шва Dдш составляет 40–50 мм (рисунок).
Касательно конструкции антисейсмических деформационных швов следует отметить, что они должны обеспечивать независимую подвижность секций тоннельных обделок во всех направлениях: продольные, поперечные и вращательные перемещения [10–11]. Это необходимо, т.к. сейсмические волны (растяжения-сжатия и сдвига) практически могут воздействовать по любым направлениям [12–14].
Деформационные швы в сборной высокоточной тоннельной обделке
В настоящее время при сооружении тоннелей при помощи тоннелепроходческих щитовых комплексов особенно широко применяются сборные высокоточные железобетонные тоннельные обделки [15–17], применяются также на отдельных участках (в особо тяжелых инженерно-геологических условиях, а также на участках сопряжений тоннеля с вспомогательными притоннельными сооружениями) тюбинговые чугунные и стальные обделки.
Из практики проектирования таких тоннельных обделок известно, что устраивать в них деформационные швы целесообразно в следующих случаях [18–20]:
– в местах изменения жесткости конструкции тоннельных обделок, в местах примыкания к основному тоннелю притоннельных сооружений и т.п.) – т.е. на стыке железобетонной обделки с тюбинговой, на стыке тоннельной обделки с конструкцией притоннельного сооружения;
– в зонах возможных тектонических сдвигов окружающего тоннель массива;
– в зонах деформаций от неравномерного воздействия горного давления или в зонах локальных осадок основания тоннельного сооружения и других подобных явлений.
Расстановка равномерно вдоль тоннеля температурных и антисейсмических деформационных швов в случае применения сборных тоннельных обделок нецелесообразна – конструкция тоннельной обделки в данном случае обладает достаточной податливостью, чтобы воспринять деформации от соответствующих воздействий.
Таким образом, при проектировании тоннельных сооружений со сборными обделками расстановка и конструкция деформационных швов в каждом случае индивидуальна и зависит от инженерно-геологических условий заложения сооружения, а также от компоновки сооружения.
Следует отметить, что в отечественной технической литературе по тоннелестроению до настоящего времени не освещалась тема индивидуального конструирования деформационных швов для транспортных тоннелей, сооружаемых при помощи тоннелепроходческих щитовых комплексов.
На наш взгляд, в этой области тоннелестроительной науки имеется пробел, который требует проработки (восполнения).
Расстановка деформационных швов в тоннельной обделке с учетом температурных факторов
Правильно выполненные и технически обоснованным образом расположенные в тоннельном сооружении деформационные швы во многом обеспечивают его эксплуатационные качества, надежность и долговечность всего тоннельного сооружения [21–23].
В целом качественно спроектированная и качественно сооружённая тоннельная обделка должна быть сухой. Но если несущая конструкция обделки будет удовлетворять этому условию, а деформационные швы нет, то очень быстро эксплуатационные качества тоннеля будут резко снижены, резко возрастут затраты на содержание и текущий ремонт.
Целесообразно для каждого тоннельного сооружения применять ряд типовых конструкций деформационных швов, рассчитанных на разный тип смещений и на разную амплитуду смещений.
Как уже указывалось выше, учет расчетных продольных температурных деформаций тоннельной обделки также необходим [24].
Целесообразно в период строительства фиксировать температурные показатели окружающей среды, температурные показатели твердеющего бетона конструкции обделки. Параметры очередного устанавливаемого деформационного шва необходимо назначать с учетом возможной разности температур тоннельной обделки в течение года [25]. Необходимо, таким образом, в процессе строительства иметь несколько типов деформационных швов для одного и того же тоннеля.
Известно, что для протяженных тоннелей характерна различная (непостоянная) амплитуда температур в течение года в зависимости от близости обделки к порталу или к вентиляционному стволу.
На входных (припортальных) участках тоннелей и на участках, смежных с вентиляционными стволами (это наиболее проблемные участки по температурным деформациям), конструкции деформационных швов должны быть особенно стойкими как к пониженным температурам, так и к повышенным, а также к внутридневным колебаниям температур, от положительных к отрицательным.
Следует также и при сооружении тоннелей при помощи тоннелепроходческих щитовых комплексов учитывать в период строительства температурные показатели окружающей среды, температурные показатели конструкции сборной обделки в момент ее монтажа.
В данном случае при проектировании необходимо определить точные параметры поперечной и продольной податливости сборной обделки и, с их учетом, определять необходимость установки деформационного шва в конструкцию обделки.
Параметры очередного устанавливаемого деформационного шва необходимо также назначать с учетом возможной разности температур тоннельной обделки в течение года. Необходимо, таким образом, в процессе строительства и здесь иметь несколько типов деформационных швов для одного и того же тоннеля.
Выводы
1. Правильно выполненные и технически обоснованным образом расположенные в тоннельном сооружении деформационные швы – это элементы в тоннельном сооружении, которые обеспечивают нормальные условия его эксплуатации, безотказную работу и исправное состояние на протяжении жизненного цикла объекта (проектного срока службы сооружения).
2. В нормах, обязательных для применения при проектировании и строительстве тоннельных сооружений, необходимо предусмотреть дополнительные требования к конструкциям деформационных швов.
3. Индустриальное производство деформационных швов и их элементов, а также разработка специальных конструкций для подземных сооружений – это направление для организации новых специализированных производств и развития отрасли подземного строительства.