Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка методики расчета межремонтных сроков строительных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сапронов, Олег Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ. ф 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА СРОКОВ СЛУЖБЫ

КОНСТРУКЦИЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ

ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ.

1.1. Строительные конструкции.

1.2. Износ отремонтированных конструкций.

1.3. Анализ изменения надежности отремонтированных конструкций.

1.4. Оценка эффективности ремонта.

Выводы и постановка задачи исследования.

2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ИЗНОСА * ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЯ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ

КОММУНИКАЦИЙ.

2.1. Цели, задачи и объекты натурных исследований.

2.2. Методика натурных исследований.

2.3. Результаты натурных исследований.

Выводы.

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ОТРЕМОНТИРОВАННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ

КОММУНИКАЦИЙ ПОСЛЕ ПЕРВОГО РЕМОНТА.

3.1. Надежность тоннелей для инженерных коммуникаций.

3.2. Модель изменения надежности отремонтированных плит перекрытия.

3.2. Период до отказа ремонта.

3.3. Период от начала коррозии до трещинообразования.

3.5. Период коррозии арматуры в атмосфере тоннеля.

Выводы.

4. ОБОСНОВАНИЕ МЕЖРЕМОНТНЫХ СРОКОВ И ОЦЕНКА

СОВОКУПНЫХ ЗАТРАТ НА ПОДДЕРЖАНИЕ ТОННЕЛЕЙ В

ТЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО СРОКА СЛУЖБЫ.

4.1. Имитационная модель надежности отремонтированных плит перекрытия.

И 4.2. Проверка работоспособности имитационной модели.

I 4.3. Прогнозирование технического состояния отремонтированных конструкций.

4.4. Управление надежностью отремонтированных конструкций.

4.5. Планирование межремонтных сроков плит перекрытия. ф 4.6. Расчет затрат на диагностические и ремонтные мероприятия.

4.7 Анализ затрат на поддержание сооружений.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование и разработка методики расчета межремонтных сроков строительных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций"

В г. Москве протяженность тоннелей для инженерных коммуникаций на конец 2005 г. составляла более 345 км, из которых более 280 км - тоннели для инженерных коммуникаций мелкого заложения. За последние 10 лет средний прирост вводимых в эксплуатацию сооружений такого типа составил 7,3 км/год.

Свыше 90% тоннелей для инженерных коммуникаций выходят из строя ранее проектных сроков, то есть не соответствуют проектному уровню долговечности. Более 70% тоннелей, расположенных в г. Москве, хотя бы один раз подвергались ремонту после введения в эксплуатацию. Опыт их эксплуатации показал, что железобетонные конструкции и, особенно плиты перекрытия, подвергаются ускоренному износу, что приводит к их ремонту. На каждый ремонт этих конструкций в зависимости от изношенности тратится от 2,5 до 12,5 тыс. руб. на одну конструкцию. Мировая практика показала, что до 75% отремонтированных конструкций имеют отказы в течение первых пяти лет эксплуатации сооружения. Такое положение объясняется низким качеством работ, включая выбор ремонтных материалов, неотработанной технологией проведения работ и отсутствием достоверных знаний об изменении эксплуатационной надежности отремонтированных конструкций во времени и т.д. Долговечность отремонтированных конструкций имеет значительный разброс, обусловленный изменчивостью эксплуатационных условий по трассе сооружений. Отсутствие достоверных знаний о параметрах износа отремонтированных конструкций, имеющих в своем составе систему «бетон -ремонтный состав», обусловливает директивное назначение времени проведения ремонтных мероприятий, что приводит к преждевременному ремонту одних конструкций и повышенному уровню рисков при эксплуатации других. В результате этого происходит значительное увеличение эксплуатационных затрат. Экономическая эффективность процесса эксплуатации сооружений может быть достигнута при помощи прогнозирования изменения надежности конструкций и правильного планирования времени проведения ремонтных работ.

Осуществленные в настоящее время исследования по прогнозированию эксплуатационной надежности конструкций не учитывают воздействия проведенных ранее ремонтных работ. Следует отметить, что воздействие агрессивных сред на железобетон определяется с использованием обобщенных моделей, не учитывающих наличие системы «бетон - ремонтный состав», специфику эксплуатации подземных сооружений, а также изменение интенсивности воздействия агрессивных факторов на различных эксплуатационных участках по трассе сооружения, что ведет к большим погрешностям в прогнозах. Таким образом, для снижения затрат и увеличения эксплуатационной надежности сооружений необходимо решить актуальную научную задачу по обоснованию и разработке методики расчета межремонтных сроков строительных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций.

Цель работы. Установление закономерностей изменения во времени вероятностно-статистических характеристик несущей способности отремонтированных конструкций для обоснования межремонтных сроков эксплуатации и разработки рекомендаций по обеспечению их надежности и долговечности.

Идея работы состоит в рассмотрении эксплуатационной надежности сооружения как временной функции несущей способности отремонтированных конструкций с учетом взаимосвязи системы случайных факторов, влияющих на изменение коррозионного состояния арматуры, и закономерностей изменения физико-химических параметров окружающей арматуру системы «бетон ремонтный состав».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлены 4 типа эксплуатационных условий по трассе сооружения с различной средней долговечностью отремонтированных конструкций, составившей от 8,9 до 63,2 лет.

2. Разработана математическая модель надежности отремонтированных конструкций с учетом наличия системы «бетон - ремонтный состав», которая описывается уравнением Тсл=Ти+Тт+Тв, и определены математические зависимости каждой переменной от факторов эксплуатационной среды с доверительной вероятностью 85%. Все факторы обладают случайной изменчивостью и подчиняются нормальным и логнормальным законам распределения.

3. По критерию безотказности, выражаемому у-процентным показателем 99% и 50%, долговечность ремонта плит перекрытия для 1-го типа эксплуатационных условий составляет 6,8 и 11,8 лет, для 2-го типа условий -5,6 и 8,9 лет, для 3-го типа условий - 32,3 и 63,2 года и для 4-го типа условий - 24,1 и 53,6 года соответственно. Минимум совокупных затрат при эксплуатации отремонтированных участков тоннелей обеспечивается при использовании стратегии эксплуатации сооружения по текущему состоянию.

Новизна работы:

• установлено, что при визуальных осмотрах критерием отказа ремонта целесообразно считать образование коррозионных трещин в защитном слое ремонтного состава с шириной раскрытия более 0,3 мм, обуславливающих возврат конструкции в категорию технического состояния на момент ремонта.

• на основании данных обследования более 20 км тоннелей, полученных лично автором, разработана методика планирования межремонтных сроков при эксплуатации отремонтированных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций, учитывающая текущее состояние отремонтированных конструкций и обеспечивающая обоснованное планирование затрат на их поддержание в течение остаточного проектного срока службы сооружений на заданном уровне надежности;

• разработана программа, позволяющая автоматизировать процесс планирования ремонтных и диагностических мероприятий, а также эксплуатационных затрат на поддержание сооружений и выбора оптимальной с экономической точки зрения стратегии эксплуатации, с возможностью корректировки по результатам диагностических мероприятий;

• выполнена оценка затрат на поддержание тоннелей на заданном уровне надежности, показавшая обоснованность применения стратегии эксплуатации сооружений по текущему состоянию, которая обеспечивает снижение общих затрат на поддержание сооружения в течение проектного срока службы от 40% до 80% для разных эксплуатационных участков;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением апробированных методов теории надежности, теории прочности строительных конструкций и статистических методов для прогнозирования межремонтных сроков тоннелей;

- сходимостью теоретических результатов прогнозирования изменения надежности конструкций тоннелей с результатами натурных исследований (более 20 км) с доверительной вероятностью 0,85;

- результатами внедрения при ремонте и планировании межремонтных сроков 20 км тоннелей для инженерных коммуникаций, в том числе «Гарибальди», «Таганский», «Ленинский 131», и др.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих в строительной геотехнологии представлений об изменении надежности в процессе эксплуатации отремонтированных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций с учетом изменчивости эксплуатационных условий по трассе сооружений и наличия системы «бетон - ремонтный состав».

Практическое значение работы состоит в разработке методики расчета эксплуатационной надежности строительных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций после выполнения ремонта на основании данных текущей диагностики сооружений с учетом изменчивости эксплуатационных условий по трассе сооружений, обеспечивающей снижение затрат на поддержание сооружений. Разработана программа, позволяющая определять сроки и объемы ремонтных работ и диагностических мероприятий, а также выполнять оценку затрат на поддержание конструкций с учетом их текущего состояния.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследования включены в «Методику прогнозирования эксплуатационной надежности и планирования межремонтных сроков тоннелей для инженерных

I коммуникаций», принятую к использованию ГУП «Москоллектор» при обслуживании тоннелей для инженерных коммуникаций. ф Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались: на I Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей», 2004 г; на II Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон, пути развития», 2005 г; заседании Правительства г. Москвы от 15 мая 2005 г.; на техническом заседании ГУП «Москоллектор»; заседаниях кафедры СПСиШ МГГУ в 2004-2005 годах. Элементы разработанной методики были удостоены диплома на «Конкурсе на лучшее применение прогрессивных технологий при строительстве подземных сооружений»

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 опубликованных научно-исследовательских работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 167 наименований, 1 приложения, включает

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Сапронов, Олег Валерьевич

Выводы.

1. Разработана имитационная модель надежности плит перекрытия, позволяющая определить время безотказной работы отремонтированных плит перекрытия тоннелей для инженерных коммуникаций и оптимальные межремонтные сроки выполнения ремонтных работ каждой конструкции для всех участков эксплуатации.

2. В результате анализа данных, полученных при имитационном моделировании для целей краткосрочного планирования диагностических и ремонтных мероприятий, был установлен качественный характер сходимости результатов с данными, полученными в результате обследований.

3. Увеличение толщины защитного слоя до 26 мм увеличивает относительный средний срок службы конструкций на 11% и 15% для 1 и 2-го типов условий, соответственно.

4. Количественное сравнение объемов инвестиций при различных системах эксплуатации сооружений показало, что оптимальной с точки зрения объемов капиталовложений является оптимизированная система эксплуатации по текущему состоянию сооружения, позволяющая сократить инвестиции в поддержание конструкций более чем в 4 раза по сравнению с коррективной системой эксплуатации и более чем на 40 % относительно эксплуатации с регулярными ремонтами.

5. Результаты моделирования состояния плит перекрытия тоннелей для инженерных коммуникаций выявили необходимость планирования различного количества ремонтов на каждом из эксплуатационных участков для обеспечения необходимого уровня надежности. Для 1 и 2-го типов участков необходимо 2-3 ремонта, тогда как на 3 и 4-м эксплуатационных участках достаточно 1 ремонта, для обеспечения проектного срока службы сооружений.

6. На 1 и 2 типах эксплуатационных участков тоннелей для инженерных коммуникаций экономически целесообразно выполнять ремонтные работы при нахождении конструкции в III категории технического состояния, а повторные ремонты - в момент окончания инкубационного периода коррозии; на 3 и 4 типах эксплуатационных участков сроки 1 ремонта целесообразно устанавливать в момент попадания конструкции в IV категорию технического состояния, а последующие - в момент отказа ремонта.

7. В результате имитационного моделирования для целей планирования инвестиций в поддержание сооружений получена функция распределения инвестиций в диагностику и ремонт плит перекрытия при оптимизированном планировании диагностических и ремонтных мероприятий. Получены сравнительные графики инвестиций при различных заданных сроках службы конструкций и заданных уровнях надежности. Найденные значения позволяют констатировать, что при правильном планировании ремонтных и диагностических мероприятий с учетом различий в типах эксплуатационных условий на различных участках сооружения сроки службы плит перекрытия могут не только соответствовать нормативным (54 года), но также возможно увеличение общего срока службы сооружения на 25 - 30%, при современном уровне инвестиций в их поддержание.

8. Оценка затрат на поддержание конструкций после выполнения первого ремонта, показала, что затраты на поддержание конструкций на 1 и 2 эксплуатационных участках превосходят более чем в 4 раза затраты на поддержание конструкций на 3-ем и 4-ом типах участков.

При таком комплексном подходе можно значительно продлить срок службы сооружений при обеспечении заданного уровня надежности при эксплуатации железобетонных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций. При изменении вышеперечисленных параметров для количественного определения срока службы конструкций в каждом конкретном случае необходимо производить расчет с использованием разработанной программы автоматизированного расчета межремонтных периодов плит перекрытия Prognoz.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований в области изменения надежности отремонтированных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций и дано решение актуальной научной задачи: обоснование и разработка методики расчета межремонтных сроков строительных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций.

Проведенные в работе исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Основными факторами, влияющими на долговечность отремонтированных конструкций, являются: толщина защитного слоя ремонтного состава, срок службы восстановленной гидроизоляционной мембраны, расположение по трассе сооружения.

2. Образование трещины в защитном слое ремонтного состава с величиной раскрытия 0,3 мм приводит к возврату конструкции в категорию технического состояния на момент ремонта.

3. По критерию безотказности, выражаемому у-процентным показателем 99% и 50%, долговечность ремонта для плит перекрытия для 1-го типа эксплуатационных условий составляет 6,8 и 11,8 лет, для 2-го типа условий -5,6 и 8,9 лет, для 3-го типа условий - 32,3 и 63,2 года и для 4-го типа условий -24,1 и 53,6 года, соответственно. Минимум совокупных затрат при эксплуатации отремонтированных участков тоннелей обеспечивается при использовании стратегии эксплуатации сооружения по текущему состоянию.

4. Увеличение толщины защитного слоя до 26 мм увеличивает относительный средний срок службы конструкций на 11% и 15% для 1 и 2-го типов условий, соответственно.

5. Результаты моделирования состояния плит перекрытия тоннелей для инженерных коммуникаций выявили необходимость планирования различного количества ремонтов на каждом из эксплуатационных участков для обеспечения необходимого уровня надежности. Для 1 и 2-го типов участков необходимо 2-3 ремонта, тогда как на 3 и 4-м эксплуатационных участках достаточно 1 ремонта, для обеспечения проектного срока службы сооружений.

6. Оценка затрат на поддержание конструкций после выполнения первого ремонта, показала, что затраты на поддержание конструкций на 1 и 2 эксплуатационных участках превосходят более чем в 4 раза затраты на поддержание конструкций на 3-ем и 4-ом типах участков.

7. На 1 и 2 типах эксплуатационных участков тоннелей для инженерных коммуникаций экономически целесообразно выполнять ремонтные работы при нахождении конструкции в III категории технического состояния, а повторные ремонты - в момент окончания инкубационного периода коррозии; на 3 и 4 типах эксплуатационных участков сроки 1 ремонта целесообразно устанавливать в момент попадания конструкции в IV категорию технического состояния, а последующие - в момент отказа ремонта.

8. Разработанные в диссертационной работе рекомендации по обеспечению эксплуатационной надежности железобетонных конструкций тоннелей для инженерных коммуникаций приняты к исполнению в ГСП «Москоллектор» при планировании проведения обследований и назначении сроков ремонтных работ. Ожидаемый экономический эффект составит 769911 рублей, на 1 км отремонтированных тоннелей для инженерных коммуникаций в течение планового срока эксплуатации в ценах 2005 года.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сапронов, Олег Валерьевич, Москва

1. Авирон Л.С, Надежность конструкций сборных зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1971.- 216 с.

2. Абросимов В.П. .Будянков В.И., Овчинников И.Г. Расчетный анализ степени повреждения плит покрытия и рекомендации по их усилению /Саратовский политехи, ин-т. Саратов, 1992.-11 с. деп. ВИНИТИ 21.01.92,199-В92.

3. Алексеев М.Н., Дмитриев В.Д, Быховский Е.М., Ким А.И., Ляликов А.И. Городские инженерные сети и коллекторы /: Учеб. для вузов. -Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние. 1990. -384с.

4. Алексеев С.И. Коррозия и защита арматуры в бетоне 2-е изд., переруб.-М.: Стройиздат, 1968 - 231 с.

5. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссель П. Долговечность железобетона в агрессивных средах/- М.: Стройиздат, 1990. 320 с.

6. Алексеев СИ., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде.- М.: Стройиздат, 1976.205 с.

7. Алмазов В.О. Основы расчета железобетонных конструкций подверженных циклическим замораживаниям и оттаиваниям, совершенствование железобетонных конструкций с учетом нелинейного деформирования материалов. //Сб. тр./МИСИ М.:1986г. с.26-34.

8. Аугусти Г., Баратта А., Кашнати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании / Пер. с англ.- М.: Стройиздат. 1988.-584 с.

9. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. 2-ое изд., перераб. и доп. - М.:Недра, 1992. - 543с.

10. Щекудов В.Е., Меркин В.Е., и др. Руководство по диагностированию автодорожных тоннелей. М.: Росавтодор, 2000

11. Букли Дж., Лиси-с Р. Текущий контроль за состоянием отремонтированных автомобильных стоянок.

12. Богданов Дж., Козин Ф. Вероятностные модели повреждений: Пер. с англ. -М.-.МИР, 1989, -344 с.

13. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. Л. Стройиздат, Ле-нингр. отд-ние, 1975,-336 с.

14. Беллман Р. Динамическое программирование. М: ИЛ, 1960,120 с.

15. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982, - 351 с.

16. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. 4-е изд. - М.: Наука, 1969, - 576 с.

17. Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М.: Советское Радио, 1966 -166 с.