Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода расчета обделок коллекторных тоннелей, восстановленных с применением бестраншейной технологии

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода расчета обделок коллекторных тоннелей, восстановленных с применением бестраншейной технологии"

ЛЕВИЩЕВА Оксана Михайловна

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБДЕЛОК КОЛЛЕКТОРНЫХ- ТОННЕЛЕЙ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14'^ 2014

Тула 2014

005548114

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре механики материалов.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Саммаль Андрей Сергеевич

Официальные оппоненты - Сергеев Сергей Валентинович

доктор технических наук, профессор, НИУ БелГУ, заведующий кафедрой инженерной геологии и гидрогеологии, г. Белгород

Свиридкин Вячеслав Александрович

кандидат технических наук, ООО «ТеплоМонтаж», начальник производственно технического отдела, г. Тула

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный

строительный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится «18» июня 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.04 Тульского государственного университета по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90,6 учебный корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» и на сайте. Объявление о защите и автореферат диссертации размещены на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации: http://www.vak.ed.gov.ru, а также объявление о защите, автореферат диссертации и текст диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»: http://tsu.tula.ru/.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Копылов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Коллекторные тоннели кругового поперечного сечения, сооружаемые с помощью проходческих щитов на глубинах до нескольких десятков метров, в том числе - в условиях плотной застройки, являются неотъемлемой частью коммунальной инфраструктуры современных городов. Техническое состояние этих сооружений должно удовлетворять достаточно жестким требованиям, исключающим фильтрацию и прорыв сточных вод в окружающую среду, последствия которых оцениваются как экологические катастрофы.

Основными причинами выхода из строя коллекторных тоннелей являются износ обделок в лотке вследствие истирающего действия абразивных частиц стоков, а также разрушение в сводовой части, обусловленное коррозией бетона в агрессивной газовой среде выше уровня сточных вод. С целью предотвращения аварийных ситуаций и продления сроков эксплуатации существующих канализационных коллекторов в последние годы широкое применение получила бестраншейная технология восстановления изношенных участков тоннелей методом «труба в трубе», предусматривающая прокладку полиэтиленовой трубы (ПЭ) внутри действующего сооружения с заполнением образовавшейся полости между трубой и существующей обделкой специальными тампонажными растворами. Восстановленная таким образом подземная конструкция состоит из трех слоев, материалы которых обладают различными деформационными характеристиками, при этом два наружных слоя имеют, как правило, переменную толщину.

Существовавшие до настоящего времени предложения, связанные с обоснованием проектных решений по восстановлению коллекторных тоннелей бестраншейным способом, ограничивались рассмотрением вопросов обеспечения устойчивости внутренней протягиваемой трубы в процессе заполнительного тампонажа. При этом методов, позволяющих осуществлять геомеханический прогноз напряженного состояния реконструированных обделок как трехслойных подземных конструкций и определять их несущую способность при дальнейшей эксплуатации, не имелось. Этим обусловлена актуальность выполненного в диссертации исследования.

Целью работы является установление с использованием разработанного аналитического метода расчета основных закономерностей формирования напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, реконструируемых методом «труба в трубе», в том числе - в условиях плотной городской застройки, использование которых позволит осуществлять геомеханический прогноз несущей способности восстановленных сооружений в процессе эксплуатации в различных горнотехнических условиях для обеспечения устойчивости выработок.

Идея работы заключается в математическом моделировании взаимодействия восстановленной методом «труба в трубе» обделки коллекторного тоннеля с окружающим массивом пород (грунта), что позволяет более полно учитывать влияние горно-геологических условий, внешних воздействий, а также основных конструктивных параметров трехслойной обделки, создаваемой в результате ремонта, на несущую способность и прочность реконструированного подземного сооружения в целом, и получении новых аналитических решений ряда плоских задач теории упругости, полагаемых в основу разрабатываемого метода расчета. Основные научные положения, выносимые на защиту: - оценку несущей способности обделки коллекторного тоннеля, создаваемой

в результате восстановительного ремонта методом «труба в трубе», следует производить на основе рассмотрения взаимодействия трехслойной подземной конструкции и окружающего массива пород (грунта) как элементов единой геомеханической системы с обязательным учетом локальных зон коррозионного нарушения и износа старой обделки, механических свойств применяемых в ходе ремонта материалов, а также положения и размеров сечения протягиваемой внутренней трубы;

- разработка метода прогноза напряженного состояния и оценки несущей способности обделок отремонтированных коллекторных тоннелей должна осуществляться на базе математической модели, в основе которой лежат строгие решения ряда плоских задач теории упругости для трехслойного кольца (два наружных слоя которого имеют существенно переменную по периметру поперечного сечения толщину), подкрепляющего отверстие в полубесконечной линейно-деформируемой или вязкоупругой среде, при соответствующих граничных условиях;

- использование традиционных цементных растворов при проведении тампонажа в ходе ремонта тоннеля с применением бестраншейной технологии приводит к формированию в протягиваемой внутренней полиэтиленовой трубе напряжений в 5 -10 раз меньших по величине, чем в других слоях реконструированной подземной конструкции.

Новизна основных научных и практических результатов:

- разработана математическая модель формирования напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного методом «труба в трубе», реализующая базовое представление геомеханики о подземном сооружении и массиве пород (грунта) как элементах единой деформируемой системы, позволяющая учитывать нараду с внешними воздействиями, реальную некруговую форму, переменную толщину и механические свойства материалов слоев создаваемой конструкции;

- получены аналитические решения соответствующих плоских задач теории упругости о напряженном состоянии трехслойного кольца переменной толщины, подкрепляющего круговое отверстие в линейно-деформируемой полубесконечной среде, при действии гравитационных сил, равномерного давления на внутреннем контуре кольца, а также вертикальной нагрузки, распределенной на произвольном участке прямолинейной границы полуплоскости;

- разработан метод расчета восстановленной обделки коллекторного тоннеля, представляющей собой трехслойную конструкцию переменной толщины, позволяющий определять ее напряженное состояние при действии собственного веса пород, давления подземных вод, внутреннего напора, веса зданий и сооружений (как возводимых над уже отремонтированным тоннелем, так и существовавших до восстановительных работ) и нагрузок от подвижного транспорта;

- установлены закономерности формирования напряженного состояния трехслойной обделки коллекторного тоннеля, создаваемой в результате восстановительного ремонта методом «труба в трубе».

Методы исследований включают получение строгих решений плоских задач теории упругости с использованием теории аналитических функций комплексного переменного, аппарата аналитического продолжения комплексных потенциалов, регулярных в полуплоскости, моделирующей массив пород, через ее границу, метода конформных отображений, свойств интегралов типа Коши, полиномов Фабера и комплексных рядов; выполнение многовариантных расчетов с целью изучения закономерностей формирования напряженного состояния обделок восстановленных коллекторных тоннелей; сравнение результатов расчетов с решениями частных

задач, полученными другими авторами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследований, высокой точностью удовлетворения граничных условий решаемых задач теории упругости, практически полным совпадением результатов расчетов с данными, полученными другими авторами при решении частных задач.

Практическое значение работы заключается в разработке алгоритма определения напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля мелкого заложения, восстановленного методом «труба в трубе», при различных нагрузках и воздействиях, а также в создании программного обеспечения, позволяющего производить многовариантные расчеты обделок восстановленных коллекторных тоннелей.

Реализация результатов работы. С использованием разработанного метода выполнены проверочные расчеты обделки Главного Левобережного коллекторного тоннеля ливневой канализации в г. Воронеже, восстановленного способом «труба в трубе». Полученные результаты расчета подтвердили эффективность реализованных проектных решений. Разработанный метод расчета принят к дальнейшему внедрению ООО «СпецПодземСтрой» (г. Тула). Результаты исследований внедрены в ряд учебных курсов, в том числе - «Геомеханика», «Новые аналитические методы расчета подземных сооружений». Разработанное программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно - практической конференции «Форум горняков» (г. Днепропетровск, НГУ, 2012 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Энергетика. Экология. Человек». (Киев, 2012 г.), на VII Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов. «Перспективы развития строительного комплекса» (Астрахань, АИСИ, 2013 г.), на IV Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (г. Екатеринбург, ИГД УроРАН РФ, 2013 г.), на научно-практических конференциях профессор-ско - преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011 -2014 г.г.), на региональной студенческой конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г. Тула 2011), на VIII, EX, X Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула 2011, 2012, 2013), на VI молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации» (г. Тула, 2012), на выставке научно-технического творчества молодежи Тульского региона, посвященной Дню российской науки (г. Тула 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 212 е., включая 47 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 153 наименований и одно приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современная теория расчета подземных сооружений базируется на исследованиях Ю.Н. Айвазова, Ш.М. Айталиева, Б.З. Амусина, И.В. Баклашова, К.П. Безродного, В.Е. Боликова, В. Виттке, В.А. Гарбера, ДМ. Голицынского,

Ж.С. Ержанова, В.Н. Каретникова, Б.А. Картозия, В.Б. Клейменова, Г.К. Клейна, С.А. Константиновой, Ю.М. Либермана, JT.B. Маковского, Ж.К. Масанова, В.Е. Меркина, А.Н. Панкратенко, C.B. Сергеева, К.В. Руппенейта, А.Б. Фадеева, Ю.С. Фролова, Г.Л. Хесина и др. ученых. Среди большого количества научных публикаций, посвященных разработке аналитических методов расчета, можно выделить работы C.B. Анциферова, Н.С. Булычева, П.В. Деева, P.A. Дунаевского, В.В.Макарова, AJT. Протосени, И.И. Савина, A.C. Саммаля, В.А.Трофимова, H.H. Фотиевой, В.И. Шейнина и др., базирующиеся на решениях соответствующих задач теории упругости, в основу которых положены фундаментальные труды И.Г. Арамановича, A.C. Космодамианского, Н.И. Мусхелишвили, Г.Н. Савина, Д.И. Шермана.

Проведенный анализ существующих аналитических методов расчета подземных сооружений показал, что ни один из них не предназначен для оценки напряженного состояния подземных конструкций, создаваемых в результате ремонтно-восстановительных работ в коллекторных тоннелях с использованием бестраншейных технологий. Имеющиеся численные методы расчета, в силу ряда присущих им особенностей, не вполне ориентированы на решение конкретных задач, которые возникают в практическом многовариантном проектировании.

В связи с этим целью настоящей диссертации явилось выявление на основе разработанного нового аналитического метода расчета основных закономерностей формирования напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, восстанавливаемых способом «труба в трубе». Разработанный метод, базирующийся на математическом моделировании взаимодействия трехслойной подземной конструкции с окружающим массивом пород (грунта), как единой геомеханической системы, предназначен для решения важных научных и практических задач, связанных с обоснованием рациональных параметров обделки, создаваемой в результате ремонта в различных горно-технических условиях.

Цель, идея работы, а также современное состояние теоретических знаний по рассматриваемой проблеме исследований потребовали поставить и решить следующие задачи:

— разработать математическую модель взаимодействия создаваемой в результате восстановительного ремонта трехслойной обделки коллекторного тоннеля с окружающим массивом, позволяющую учитывать основные особенности формирования напряженного состояния геомеханической системы «обделка — массив», при действии гравитационных сил (в том числе - давления грунтовых вод), внутреннего напора (для тоннелей ливневой канализации, работающих в период водосброса), веса зданий и сооружений на поверхности, как возводимых вблизи уже отремонтированного тоннеля, так и имевшихся до реконструкции, и нагрузок от движущихся по поверхности транспортных средств;

— получить аналитические решения ряда плоских задач теории упругости о напряженном состоянии трехслойного кольца, два наружных слоя которого имеют существенно переменную толщину, подкрепляющего отверстие в линейно - деформируемой полубесконечной среде, при граничных условиях, отражающих действие гравитационных сил, внутреннего давления и равномерно распределенной вертикальной нагрузки, приложенной к участку прямолинейной границы среды;

— разработать на основе полученных решений аналитический метод расчета обделок коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным способом, на основные виды воздействий;

- составить полный алгоритм расчета и реализовать его в виде компьютерного программного комплекса;

- выявить основные зависимости экстремальных (максимальных сжимающих и растягивающих) напряжений в обделке восстановленного коллекторного тоннеля от основных влияющих факторов.

Разработанный метод расчета, реализующий современные представления механики подземных сооружений о взаимодействии подземной конструкции и массива пород как элементов единой деформируемой системы, базируется на аналитических решениях четырех плоских задач теории упругости, общая расчетная схема которых представлена на рис. 1.

Рисунок I - Общая расчетная схема Здесь полубесконечная среда моделирующая массив пород, деформационные свойства которой характеризуются модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона \>0, ограничена прямой 1'0 и круговым отверстием, подкрепленным трехслойным кольцом ¿"у (/ = 1, 2, 3), моделирующим обделку коллекторного тоннеля, создаваемую в результате восстановительного ремонта.

Наружный слой кольца^, ограниченный контурами ¿0 и моделирует существующую бетонную обделку тоннеля. При этом контур Ь0 имеет круговое очертание с радиусом /?0, а форма контура Л, существенно отличается от круговой вследствие локального уменьшения толщины обделки в своде и лотке. Внутренний слой Лз, контуры которого Ь2, ¿з представляют собой окружности с общим центром С, расположенном на вертикальной оси 0у и имеющим координату ус=а, моделирует трубу ПЭ. Промежуточный слой 52, ограниченный контурами ¿ь ¿2, моделирует заполненное в ходе ремонта тампонажным раствором пространство между существовавшей обделкой и внутренней трубой. Материалы слоев кольца (/ = 1,2,3)

обладают деформационными характеристиками £у, Vj{j = 1, 2,3).

Слои кольца Sj (/= 1,2, 3) и среда S0 деформируются совместно, т.е. на линиях контакта Lj (J=0, 1, 2) выполняются условия непрерывности векторов смещений и полных напряжений.

Действие гравитационных сил, обусловленных собственным весом грунта (задача 1) или давлением подземных вод с уровнем Н„, отсчитываемым от оси тоннеля (задача 2), следуя работам И.В. Родина, Н.С. Булычева и H.H. Фотиевой, моделируется наличием в областях S} (/=0, 1, 2) соответствующих полей начальных напряжений.

Внутренний контур £3 свободен от внешних сил, либо нагружен равномерным нормальным давлением р, что соответствует рассмотрению наиболее опасного напорного режима работы тоннеля в период водосброса (задача 3).

На границе полуплоскости L^ выполняются условия отсутствия внешних сил, либо, при моделировании нагрузки на поверхности (задача 4), обусловленной весом зданий, сооружений, а также транспортных средств, рассматривается действие на произвольном участке границы равномерного нормального давления Р.

Решение поставленных задач получено с использованием методов теории аналитических функций комплексного переменного и конформных отображений, аппарата аналитического продолжения комплексных потенциалов, регулярных в нижней полуплоскости, моделирующей массив пород, в верхнюю полуплоскость через ее прямолинейную границу, свойств интегралов типа Коши, полиномов Фабе-ра и комплексных рядов.

После введения комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили

ij(z) (j = 0,1,2,3), характеризующих напряженное состояние соответствующих

областей, осуществляется переход к краевой задачи теории аналитических функций комплексного переменного при следующих граничных условиях, записываемых в общем для всех поставленных задач виде: -на Ц

- на Lj 0 = 0,...,2)

ф>1 (о)+0 ч*Ж>+WJ^UJ)=Vj (.tj)+.tj WA!)+¥]&])+fj (tj);

(2)

-на ¿з ФзСз)+'зФзСз)■+ %(h) = /зОз), (3)

где ?&} =3-4v;-; jf^ 0' = °. 2>3); аФФикс точки контура

0' = 0,1, 2,3); (/ = 2, 3) - функции, определяемые в зависимости от вида действующей нагрузки (рассматриваемой задачи).

Комплексные потенциалы 9/00, у j{z) (j = 1,...,3) в областях S;

(j = 1,...,3) представляются в форме:

4>J(z) = ipJ(z)+Lj(z); ф,(г) = ч>,(;)+Л/,(2) (/ = 1, 2, 3), (4)

здесь функции ip,(z), уj(z) являются регулярными в соответствующих областях

SJ и = 1, 2, 3), и обращающиеся в нуль на бесконечности; функции ¿у (г), М¡{¿) имеют вид:

(5)

= - ч 1пг, ¡в,—--Ыг,

2л(1+ ас,) ■'ч"/ 2я(1 + агу)

где Х0)+гТ(-') = + ¡У^^ = 2К^1 - главный вектор внешних сил, распре-

Ч

деленных по контуру Ь] О" = 1, 2, 3), KJ - действительная величина, определяемая в зависимости от рассматриваемой внешней нагрузки, г- мнимая единица.

Следуя подходу, предложенному И.Г. Арамановичем и успешно развитому Н.Н. Фотиевой, выполнив аналитическое продолжение комплексных потенциалов ф0(г) в верхнюю полуплоскость через прямолинейную границу Ц , удается

придти к представлениям, аналогичным (4) по форме:

¡Кп

-1пг; ф0(г) = \|/0(2)

(6)

1 + ае0 тиУ ' тич ' 1 + аз0 Далее с помощью рациональных функций 2 = осуществляется кон-

формное отображение внешностей единичных окружностей в областях переменных на внешности контуров Ь] (/ = 0,1, 2, 3) в области г. Таким образом, после отнесения всех геометрических размеров к величине Яд, отображающие функции записываются в виде

ч

Со

при)= О, при) = 1, при у = 2, 3;

(7)

[г^+Ь

здесь (у = 1 ,...,«*) - коэффициенты, которые определяются в результате конформного отображения внешности единичного круга на внешность контура ; п -удерживаемых членов, определяющее точность отображения;

число Д

(/ = 0,...,3); Ь =

га

До и "

Подлежащие определению комплексные потенциалы в отображенной1 области представляются в виде

+ 0 = 0,1, 3)

v=n

(В)

ф/2-) =

14,)0)[С2(ЮГ + £4ЗХЛ^Ч(П 0-=2)

У=0

V/(2) =

+ Soj (j = 0,1, 3)

v=l v-o

S42Xj)[C2(4v + V); 0"=2)

(9)

v=0

где использованы обозначения Sk s ПрИ , lf\z) - полиномы Фабера для

i^. s

(1, при к < 5 [О, при ¿>5' области, ограниченной некруговым контуром Ь\.

Дальнейшее решение задачи строится на развитии подхода, предложенного Г.М. Ивановым, согласно которому вводятся следующие обозначения (/=1 2 3)

С целью сохранения общности записи для потенциалов, характеризующих напряженное состояние среды Б0, используются представления

ФоОО = Фо,оО) = Фо,о(?о), Уо(г) = Уо,о(2) = Уо.о^о)-

В результате на контурах Ьр (р=0,..,3), принимая во внимание, что С/('у) = <т = е'в> удается записать

ХШр)„ь

ф j* =+%(кзю-р)о

к=I

¿=0

(У = 0,...,3; p = J,j+l; р^Ъ)

(П)

где коэффициенты с[г)и-р) выражаются через коэффициенты аналогично тому, как это сделано в работах H.H. Фотиевой и A.C. Саммаля.

Таким образом, граничные условия (1)-(3) в преобразованной области записываются в следующем виде

+ nj<P'j+uj (ст)+ Vj+ij (а)= + п jV'jj (ст) + У jj - (сг),

0 =0,1, 2)

Vj _

Фу ( ~ )+ пзФз,з Ы + 4*3,3 (®) =Аз(а)

(12)

(13)

где (а) = , а функции Л] {а\ <~>] (о) (у = 0,1, 2, 3) определяются в зависимости от вида действующей нагрузки (рассматриваемой задачи).

Таким образом, при решении поставленной задачи необходимо определить 7 пар неизвестных функций Фу.Да), уЛ,(ст)0 = 0,...,3), ср,+1», у;+1,»(у = 0,1, 2).

Подстановка рядов (И) в граничные условия (12)-(13) и приравнивание коэффициентов при одинаковых положительных и отрицательных степенях переменной ст, позволяют придти к рекуррентным соотношениям, связывающим коэффициенты ¿=1,...,°о; j=0, 1, 2) с коэффициентами 4sXJJ)(s= 1.....4;

к= 1.....оо; у=0,...,2) разложений комплексных потенциалов, регулярных в смежных

областях Sj и Sj+i <j=0,...,2). Далее, после выражения коэффициентов че-

рез соответствующие коэффициенты (j=l,...,4;y=0, 1, 2; А=1,...,со), осуще-

ствляется переход от коэффициентов к коэффициентам c[^(J+IJ+]>, и, в ко-

нечном счете - коэффициеэты с|1)(3,3) разложений комплексных потенциалов фз,з(о), 4*3,з(с?) удается вьфазить через коэффициенты с^)(0,0) потенциалов Фо,о(о)>

Подстановка полученных выражений в последнее граничное условие (13) и приравнивание в его левой и правой частях коэффициентов при одинаковых степенях переменной ст приводит к бесконечной системе линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных с*1>(0,0)(-г-=1, 2; v=l,...,«>). В результате решения полученной системы (соответствующим образом укороченной) определяются коэффициенты разложений комплексных потенциалов фо,о(ст), Wajofo), а на основе указанных выше рекуррентных соотношений - коэффициенты разложений остальных потенциалов фд(а), Щк.(<з) (/'=1,-Л' k=j-\,j), а затем по формулам Колосова - Мус-хелишвили - напряжения на линиях контактов слоев.

Полученное решение реализовано в виде полного алгоритма расчета и комплекса компьютерных программ и положено в основу метода расчета обделок коллекторных тоннелей, восстановленных с применением технологии «труба в трубе».

С целью приближенного учета влияния напряжений, которые сформировались в обделке до ремонта, в результаты расчета восстановленной подземной конструкции на действие собственного веса пород и веса здания, существовавшего до реконструкции тоннеля, вводится корректирующий множитель а*, определяемый на основе обработки данных натурных измерений.

Пространственный характер задачи, обусловленный ограниченным размером здания или сооружения в направлении оси тоннеля, учитывается, следуя работам Н.С. Булычева и H.H. Фотиевой, введением в результаты расчета корректирующего множителя к, который определяется как отношение вычисляемых по формулам Ля-ва вертикальных напряжений в точке сплошного полупространства, соответствующей центру рассматриваемого поперечного сечения обделки, вызываемых поверхностной нагрузкой, распределенной по прямоугольной площади и по соответствующей полосе бесконечной длины (то есть в условиях плоской деформации).

Если рассматриваемая поверхностная нагрузка моделирует вес движущегося транспортного средства, то напряжения, найденные из описанного решения задачи, умножаются на соответствующий динамический коэффициент Тс , вычисляемый по известным формулам. При этом в случае, когда транспортное средство движется в направлении, перпендикулярном оси тоннеля, напряженное состояние обделки определяется на основе многовариантных расчетов при различных положениях нагрузки относительно тоннеля и построении огибающих эпюр по максимальным значениям растягивающих (положительных) и сжимающих (отрицательных) нормальных тангенциальных напряжений.

Учет вязкоупругого деформирования пород может осуществляться на основе теории линейной наследственной ползучести с использованием метода переменных модулей, согласно которому деформационные характеристики пород представляются как функции времени.

Полученные результаты расчетов суммируются с напряжениями от других видов действующих нагрузок (в самых неблагоприятных сочетаниях), после чего производится проверка несущей способности обделки.

С целью оценки погрешности, вносимой ограничением в бесконечных рядах числа удерживаемых членов, было проведено соответствующее исследование, показавшее, что при рассмотрении реальных подземных конструкций в широком диапазоне изменения деформационных характеристик материалов слоев обделки и окружающих пород, удержание в рядах 15 членов является достаточным, поскольку приводит к незначительным (не превышающим 3%) погрешностям удовлетворения граничных условий.

На следующем этапе для проверки достоверности результатов, получаемых по разработанному методу, выполнено их сравнение с данными, получаемыми с применением аналитических методов расчета для частного случая трехслойной обделки кругового тоннеля мелкого заложения, предоставленными к.т.н. JI.H. Анциферовой (при рассмотрении случаев действия гравитационных сил и нагрузки на поверхности) и к.т.н. C.B. Князевой (при рассмотрении действия внутреннего напора). Во всех случаях было получено практически полное совпадение сравниваемых напряжений и усилий в слоях подземной конструкции.

С целью обоснования возможности применения предлагаемого метода в практическом проектировании в качестве апробации были выполнены расчеты обделки Главного Левобережного коллекторного тоннеля ливневой канализации в г. Воронеже, восстановленного методом «труба в трубе» (исходные данные предоставлены ООО «СпецПодземСтрой», г. Тула). Полученные результаты подтвердили целесообразность реализованных проектных решений.

В качестве примера, иллюстрирующего предлагаемый метод, ниже приводятся результаты расчета обделки канализационного коллектора, восстановленной с применением метода «труба в трубе», на действие нагрузки на поверхности, прикладываемой после окончания ремонтных работ в тоннеле. При расчете принимались следующие исходные данные: Е0 = 50 МПа, v0=0,35; £,= 20 ООО МПа, v,=0,2; Е2= 10 ООО МПа, v2=0,2;Е3- 400 МПа, v3=0,4. Рассмотрен случай наиболее неблагоприятного, с точки зрения напряженного состояния обделки, положения нагрузки при а0 = 0, Ь0 = 10 м. Принятая некруговая форма контура Ц отражает наличие зон локального разрушения вследствие коррозии и износа бетонной обделки в процессе эксплуатации.

Результаты расчета представлены на рис. 2 в виде безразмерных (в долях величины Рк) эпюр расчетных нормальных тангенциальных напряжений на наружных ¡(Рк) и внутреннихОдП)¡{Рк) контурах каждого слоя обделки. Для сравнения пунктирными линиями здесь же приведены соответствующие эпюры напряжений в обделке тоннеля, расположенного на меньшей глубине H = 5 м (значения в скобках).

Как следует из представленных результатов, действие рассматриваемой нагрузки на поверхности приводит к возникновению в слоях обделки не только сжимающих, но и соизмеримых по величине растягивающих нормальных

тангенциальных напряжений. При этом можно отметить, что напряжения в трубе ПЭ значительно ниже, чем в других слоях реконструированной подземной конструкции.

С использованием разработанного компьютерного программного комплекса выполнены многовариантные расчеты, в результате которых установлены закономерности формирования напряженного состояния трехслойной обделки коллекторного тоннеля, создаваемой в результате восстановительного ремонта, при различных внешних воздействиях. Исследовались зависимости экстремальных (максимальных сжимающих и растягивающих) нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в точках внутренних контуроб поперечного сечения каждого слоя рассматриваемой обделки от основных влияющих факторов: отношения модулей деформации пород и материалов слоев обделки, глубины заложения тоннеля, положения центра поперечного сечения внутренней трубы относительно оси тоннеля, положения и ширины участка нагружения на поверхности.

На рис. 3 в качестве иллюстрации приведены зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в точках внутренних контуров рассмотренной выше подземной конструкции - в существовавшей до ремонта обделке (кривые 1), в тампонажном слое (кривые 2) и во внутренней трубе ПЭ (кривые 3) - от ширины нагрузки на поверхности Ь/Я0, приложенной после реконструкции тоннеля симметрично относительно его оси. Рассмотрены два случая, соответствующие глубинам заложения тоннеля Н/Яо =5 (сплошные линии) и Я / Яо = 10 (штрихпунктирные линии).

Рисунок 2 - Эпюры расчетных нормальных тангенциальных напряжений, обусловленных действием нагрузки на поверхности, возникающих на внешних (а,б,в) и внутренних (г,д,е)контурах: внешнего слоя (а,г), тампонажного слоя (б,д) и трубы ПЭ (в,е)

з

д

е

о 50 100 150 200

Рисунок 3 - Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в реконструированной обделке от ширины нагрузки на поверхности

Как следует из рис. 3, все преведенные зависимости напряжений а%"г/Р от ширины поверхностной нагрузки имеют экстремальный характер, при этом напряжения во внутренней трубе малы и изменяются незначительно.

В целом, на основе анализа выявленных закономерностей формирования напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, реконструируемых методом «труба в трубе», можно в каждом конкретном случае

указать такое положение поперечного сечения внутренней трубы относительно оси тоннеля которое позволяет существенно (до 50%) уменьшить значения экстремальных напряжений во всех слоях обделки. Это обстоятельство следует учитывать при проведении ремонтных работ в коллекторных тоннелях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований разработан новый аналитический метод расчета обделок коллекторных тоннелей, создаваемых в результате ремонта способом «труба в трубе», и установлены основные закономерности формирования напряженного состояния реконструированных подземных сооружений в различных горнотехнических условиях, что имеет существенное значение при геомеханическом обосновании инженерных решений, связанных с восстановлением работоспособности и повышением устойчивости выработок коммунального назначения.

Основные научные и практические результаты диссертационнои работы

заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель взаимодействия трехслойной обделки коллекторного тоннеля с окружающим массивом пород, позволяющая учитывать основные факторы, существенно влияющие на напряженное состояние восстановленной конструкции - форму и размеры слоев обделки в поперечном сечении, деформационные характеристики пород и материалов подземной конструкции, а также внешние воздействия.

2. Получены новые аналитические решения четырех плоских задач теории упругости о напряженном состоянии трехслойного кольца со слоями переменной толщины, моделирующего обделку тоннеля, подкрепляющего отверстие в полубесконечной линейно-деформируемой (вязкоупругой) среде, моделирующей массив пород, при граничных условиях, отражающих действие собственного веса пород (задача 1), внешнего давления подземных вод (задача 2), внутреннего напора

(задача 3) и равномерной вертикальной нагрузки, распределенной по участку поверхности (задача 4).

3. Разработан алгоритм расчета и соответствующее программное обеспечение, позволяющее определять напряжения и усилия в обделке.

4. С целью оценки достоверности получаемых результатов произведена проверка точности удовлетворения граничных условий, определено минимальное число удерживаемых членов в радах разложения комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили, обеспечивающее высокую точность удовлетворения граничных условий (с погрешностью, не превышающей 3 %), и выполнено сравнение результатов, полученных с помощью разработанного метода, с имеющимися в научной литературе решениями частных задач.

5. Разработанный метод апробирован при оценке конструктивных решений, реализованных в проекте на проведение капитального ремонта Главного Левобережного коллектора в г. Воронеже.

6. Установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в обделке восстановленного тоннеля, от основных влияющих факторов: отношения модулей деформации пород и материалов слоев обделки, глубины заложения тоннеля, положения центра поперечного сечения внутренней трубы относительно оси тоннеля, положения и ширины участка нагружения на поверхности.

7. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению ООО «Спец-ПодземСтрой» (г. Тула).

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Левищева О.М. Математическое моделирование напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным способом /О.М. Левищева // Современные проблемы математики, механики, информатики: материалы региональной научной студенческой конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.-С. 77-81.

2. Левищева О.М. Геомеханическое обоснование технологических решений по восстановлению обделок коллекторных тоннелей бестраншейным способом с применением труб ПВХ / A.C. Саммаль, О.М. Левищева, Ю.И. Климов // Известия ТулГУ. Науки о Земле. - Вып.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 356 - 360.

3. Левищева О.М. Оценка несущей способности обделок коллекторных тоннелей, восстановленных методом «труба в трубе» / О.М. Левищева// VI молодежная научно-практическая конференция ТулГУ «Молодежные инновации»: сборник докладов, часть 2. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 156-159.

4. Левищева О.М. Расчет обделок, создаваемых в результате восстановительного ремонта коллекторных тоннелей глубокого заложения методом «труба в трубе» / A.C. Саммаль, О.М. Левищева, Т.Г. Саммаль // Материалы международной конференции «Форум горняков - 2012» 3-6 октября 2012 г. - Днепропетровск, Украина. - Днепропетровск: Изд-во НГУ, 2012. -Том 2, С. 37 - 47.

5. Левищева О.М. Определение несущей способности обделки коллекторного тоннеля, создаваемой в результате восстановительного ремонта / О.М. Левищева, A.C. Саммаль // Материалы IV международной научно-технической конференции «Энергетика. Экология. Человек». Выпуск №3.-Киев, 2012.-С. 36-38.

6. Левищева О.М. Аналитический метод оценки напряженного состояния канализационных коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным методом / А.С. Саммаль, О.М. Левищева, Т.Г. Саммаль // Труды IV Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» 21-22 мая 2013. - Екатенебург: Изд-во УГГУ, 2013. - С. 95 - 99.

7. Левищева О.М. Аналитический метод определения напряженного состояния многослойной обделки, создаваемой в результате восстановительного ремонта коллекторного тоннеля / А.С. Саммаль, О.М. Левищева, Т.Г. Саммаль // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Выпуск 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 158 -163.

8. Левищева О.М. Аналитический метод оценки напряженного сосотояния и несущей способности трехслойных обделок коллекторных тоннелей, создаваемых в результате восстановительного ремонта с использованием технологии «труба в трубе» / А.С. Саммаль, О.М. Левищева, Т.Г. Саммаль // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 2. Часть 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 337 - 348.

9. Левищева О.М. Оценка несущей способности обделок коллекторных тоннелей, создаваемых в результате восстановительного ремонта бестраншейным способом / ОМ. Левшцева, А.С. Саммаль // Освоение подземного пространства мегаполисов: Отдельный выпуск Горного информационного бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and analytical bulletin (Scientific and technical journal). - M.: Изд-во «Горная книга». - 2013 - № OB7. - С. 74-82.

10. Левищева О.М. Оценка напряженного состояния и несущей способности коллекторных тоннелей мелкого заложения, восстановленных бестраншейным способом / О.М. Левищева // Перспективы развития строительного комплекса. Материалы VII Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов. 28-31 октября 2013 г. Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013. - Т. 2. С. 29- 34

11. Левищева О.М. Оценка напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным способом в условиях городской застройки /А.С. Саммаль, О.М. Левищева, Н.Н. Фотиева// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 361-367.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 17.04.2014 Формат бумаги 60x84 '/|6. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 103 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, проспЛенина, 95.

!

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Левищева, Оксана Михайловна, Тула

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201458813

ЛЕВИЩЕВА Оксана Михайловна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБДЕЛОК КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Саммаль А. С.

Тула 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТРЕХСЛОЙНОЙ ОБДЕЛКИ КОЛЛЕКТОРНОГО ТОННЕЛЯ, ВОССТАНОВЛЕННОГО СПОСОБОМ «ТРУБА В ТРУБЕ» 32

3. МЕТОД РАСЧЕТА ОБ ДЕЖИ КОЛЛЕКТОРНОГО ТОННЕЛЯ, ВОССТАНОВЛЕННОГО БЕСТРАНШЕЙНЫМ СПОСОБОМ 43

3.1. Переход к задаче теории аналитических функций комплексного переменного 43

3.2. Представления комплексных потенциалов 44

3.3. Аналитическое продолжение комплексных потенциалов ФоМ Vo(z) в верхнюю полуплоскость через прямолинейную

границу L'0 46

3.4. Конформное преобразование. Представление комплексных потенциалов и формулировка граничных условий в отображенной области

3.5. Решение краевой задачи теории аналитических функций комплексного переменного

59

65

3.6. Формирование разрешающей системы линейных алгебраических уравнений 77

3.7. Определение коэффициентов т^^ и величин # в зависимости от вида рассматриваемой нагрузки 98

3.7.1. Действие собственного веса грунта (задача 1) 98

3.7.2. Действие внешнего давления грунтовых вод (задача 2) 101

3.7.3. Действие давления жидкости, заполняющей тоннель в период водосброса (задача 3) 105

3.7.4. Действие нагрузки, обусловленной весом зданий и сооружений на поверхности (задача 4) 106

3.8. Определение напряжений в среде и в слоях кольца 109

3.9. Алгоритм расчета 110

3.9.1. Задание исходных данных 111

3.9.2. Последовательность вычислительных операций 113 3.10 Проверка точности удовлетворения граничных условий 129 3.11. Сравнение результатов расчета с данными, полученными другими авторами 134 3.12 Пример определения напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного бестраншейным способом 140

3.12.1. Результаты расчета обделки на действие гравитационных сил (собственного веса грунта) 141

3.12.2. Результаты расчета обделки на действие внешнего давления грунтовых вод 146

3.12.3. Результаты расчета обделки на действие внутреннего напора жидкости (в период водосброса). 149

3.12.4. Результаты расчета обделки на действие равномерно распределенной нагрузки на поверхности 150

3.12.5. Результаты расчета обделки на действие нагрузки, движущейся на поверхности 158

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛКИ КОЛЛЕКТОРНОГО ТОННЕЛЯ, ВОССТАНОВЛЕННОГО БЕСТРАНШЕЙНЫМ СПОСОБОМ, ОТ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ 159

4.1 Исследование зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделке восстановленного тоннеля при действии собственного веса грунта от основных влияющих факторов 160

4.1.1. Исследование зависимости напряженного состояния обделки от положения центра протянутой трубы ПЭ 160

4.1.2. Исследование зависимости напряженного состояния от отношения модулей деформации пород и материала внешнего слоя обделки восстановленного коллекторного тоннеля 163

4.2 Исследование зависимостей напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля при действии 165

давления грунтовых вод

4.2.1 Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от уровня грунтовых вод 166

4.2.2 Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от положения внутренней трубы ПЭ 167

4.3 Исследование зависимостей напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля при действии внутреннего напора жидкости 168

4.3.1 Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от положения внутренней трубы 168

4.3.2 Исследование зависимости напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля от отношения модулей деформации тампонажного и внешнего слоев обделки 171

4.4 Исследование зависимости напряженного состояния обделки восстановленного коллекторного тоннеля при действии равномерно распределенной нагрузки на поверхности 172

4.4.1 Зависимость напряженного состояния обделки от положения распределенной нагрузки относительно оси выработки ^ ^

4.4.2 Зависимость напряженного состояния обделки от ширины нагрузки на поверхности 175

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА 179

5.1. Данные об объекте 179

5.2. Результаты расчета 1 ВО ЗАКЛЮЧЕНИЕ 186 ЛИТЕРАТУРА 191 ПРИЛОЖЕНИЕ 211

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью городской коммунальной инфраструктуры являются коллекторные тоннели. В процессе длительной эксплуатации обделки этих сооружений подвергаются воздействию агрессивной газовой среды, а также истирающему действию абразивных частиц, находящихся в стоках. Влияние указанных негативных факторов ведет к локальным уменьшениям толщины подземных конструкций, что может явиться причиной возникновения аварийных ситуаций, последствия которых оцениваются как экологические катастрофы. В связи с этим особую актуальность приобретает проблема своевременности эффективности проведения ремонтно-восстановительных работ в коллекторных тоннелях.

В современных условиях городской среды наиболее приемлемым способом восстановления работоспособности изношенных прямолинейных участков коммуникаций является метод «труба в трубе», который предусматривает прокладку внутри тоннелей новых труб из полиэтилена (ПЭ). При этом длина участков реконструируемых тоннелей может достигать нескольких сотен метров при минимуме земляных работ и полной сохранности инфраструктуры на поверхности.

В результате ремонта восстановленная обделка представляет собой трехслойную конструкцию, несущая способность которой зависит от степени изношенности старого тоннеля. Следует отметить, что на сегодняшний день не существует научно-обоснованных методов оценки напряженного состояния и несущей способности реконструированных коллекторных тоннелей, и, следовательно, проблема оценки эффективности восстановления таких сооружений остается актуальной.

В связи с этим целью настоящей работы является разработка нового аналитического метода расчета обделок коллекторных тонне-

лей мелкого заложения, восстанавливаемых бестраншейным способом «труба в трубе».

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- разработана математическая модель взаимодействия создаваемой в результате восстановительного ремонта трехслойной обделки коллекторного тоннеля с окружающим массивом, позволяющая учитывать основные особенности формирования напряженного состояния геомеханической системы «обделка — массив», при действии гравитационных сил (в том числе - давления грунтовых вод), внутреннего напора (для тоннелей ливневой канализации, работающих в период водосброса), веса зданий и сооружений на поверхности, как возводимых вблизи уже отремонтированного тоннеля, так и имевшихся на земной поверхности до реконструкции, и нагрузок от движущихся по поверхности транспортных средств;

- получено аналитические решения ряда плоских задач теории упругости о напряженном состоянии трехслойного кольца, два наружных слоя которого имеют существенно переменную толщину, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой полубесконечной среде, при граничных условиях, отражающих действие гравитационных сил, внутреннего давления и равномерно распределенной вертикальной нагрузки, приложенной к участку прямолинейной границы среды;

-на основе полученных решений разработан аналитический метод расчета обделок коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным способом, на основные виды воздействий;

- составлен полный алгоритм расчета, реализованный в виде компьютерного программного комплекса;

- выявлены основные зависимости экстремальных (максимальных сжимающих и растягивающих) напряжений в обделке восстановленного коллекторного тоннеля от основных влияющих факторов.

Разработанный метод расчета принят к внедрению ООО «СпецПодземСтрой» (г. Тула) в качестве базовой расчетной методики при практическом проектировании.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Развитие и успешное функционирование инфраструктуры крупных городов связано с расширением систем канализации и сетей самотечных тоннельных коллекторов, как правило, кругового поперечного сечения, сооружаемых с помощью проходческих щитов, имеющих глубину заложения до нескольких десятков метров. Действующими в настоящее время нормативными документами срок службы данных сооружений установлен в 35-40 лет /35/. Такие тоннели составляют 80 - 85 % от общего объема эксплуатируемых коммунальных тоннелей городского хозяйства /19/.

Имеющиеся в настоящее время экспертные оценки /126/ технического состояния подземных сооружений показывают, что более 60 % трубопроводов и канализационных коллекторов в России практически исчерпало свой срок службы и эксплуатируется со степенью износа 64 %. Значительная часть канализационных коллекторов большинства городов проложена из труб, изготовленных из железобетона, без защиты внутренней поверхности от агрессивного коррозионного воздействия, вследствие чего, в процессе эксплуатации происходит снижение прочностных характеристик бетона, разрушение рабочей арматуры, «сработка» и истончение бетона обделок коллекторов, прежде всего в своде выработок, с их возможным обрушением и образованием воронок на поверхности земли. Выход из строя канализационного коллектора, в результате разрушения его обделки из-за общей ветхости санитарно-гигиенических коммуникаций, как правило, создает опасность микробиологического заражения грунтовых вод и их подсоса в трубопроводы питьевого водоснабжения. Ситуация также усугубляется отсутствием резервных коллекторов, по

которым можно было бы перепустить стоки на время ремонтных работ в обход ремонтируемых участков.

Многочисленными исследованиями /19, 34, 35, 47, 57 и др./ установлено, что основной причиной разрушения железобетона обделок канализационных коллекторных тоннелей является комплексное воздействие следующих факторов:

- нарушение технологической дисциплины и низкое качество строительно-монтажных работ с последующим проявлением дефектов;

- применение строительных материалов низкого качества;

- естественное старение материала обделок;

- проявление биохимической и химической коррозии бетона и арматуры, вследствие агрессивности грунтовых вод и повышенной агрессивности газовой среды выше уровня сточных вод;

- абразивное воздействие на бетон обделок твёрдых частиц, находящихся в стоках.

Следует отметить, что одним из самых опасных разрушительных процессов /19, 34, 57,102/, протекающих в канализационных коллекторах, является сероводородная газовая коррозия бетона обделок, в результате которой уменьшается толщина конструкции выше уровня сточных вод, снижаются прочностные характеристики бетона, что может привести к его обрушению с образованием провалов на поверхности земли.

Механизм сероводородной химической коррозии (рис. 1.1) подробно описан в работе /69/ и заключается в следующем. Как правило, сточные воды являются неагрессивными или слабоагрессивными в отношении бетона, в то время как газовая среда выше поверхности воды содержит значительный процент сероводорода и является сильноагрессивной. Растворяясь в слое конденсатной влаги, серово-

дород активно разрушает гидросиликаты кальция, образующие цементный камень, на внутренней поверхности сводовой части обдел-

а-а

а-а

б-б

5 4 3 6 2 1

1 2 3 4

Рис. 1.1. Схема образования сероводорода в сточных водах 1- сточные воды, 2- ламинарный слой, 3 - анаэробный активный слой образования сульфидов, 4 - анаэробный инертный слой, 5 - обделка тоннеля, 6 - аэробный слой.

Взаимодействие с серной кислотой приводит к превращению цементного камня в бетоне в смесь двуводного гипса, гидроокиси алюминия, кремнекислоты и других соединений (кислотная коррозия). Сульфат кальция из состава образовавшегося гипса проникает вглубь неразрушенного бетона и кристаллизуется (гипсовая коррозия). В результате в сводовой части обделки кислотная коррозия вызывает разрушение бетона до состояния несвязного эттрингита. Причем с разрушением защитного слоя и достижением зоны стальной арматуры, скорость коррозии увеличивается. Такая коррозия часто является скоротечной и быстро достигает разрушительных размеров. К примеру, в Донецке была зарегистрирована скорость коррозии железобетонных труб от 30 до 40 мм/год /57/.

Попытки установить эмпирические зависимости между скоростью коррозионного разрушения бетона реальных конструкций и большим числом случайных факторов, влияющих на этот процесс, методами многомерного корреляционного анализа успеха не имели /69, 70/. В связи с этим в настоящее время считается, что достоверно оценить состояние обделок коллекторных тоннелей, подвергающихся коррозии в процессе эксплуатации, можно лишь с помощью постоянного мониторинга состояния подземной конструкции.

Другим направлением исследований, имеющих целью разработку методов прогноза коррозионного разрушения бетона в высокоагрессивной газовой среде в коллекторных тоннелях, является лабораторное и математическое моделирование этого процесса. В научной литературе имеется ряд работ, в которых обобщаются результаты исследований, проводившихся в разное время в институтах НИИЖБ (г. Москва) /71, 108/ и УкрКоммуналНИИПроект (г. Харьков) /46, 105/.

В работе /71/ на основе выполненных лабораторных испытаний образцов из цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона различных составов в растворах серной кислоты Л.Н.Карнауховой было установлено пропорциональное увеличение глубины разрушения (t - время), при условии, что удаление разрушенного слоя не производилось. При этом на скорость коррозии вид материала (цементный камень, бетон, или цементно-песчаный раствор) влиял в незначительной степени. Приведенные в таблице 1.1. результаты расчета /71/, выполненные при исходных данных, соответствующих реальным условиям в коллекторных тоннелях, показали удовлетворительное согласование с данными натурных наблюдений, и, по мнению автора, могут быть использованы в практических целях.

Таблица 1.1

Результаты определения глубины коррозионного разрушения бетона

в агрессивной сернокислой среде по Л.Н.Карнауховой

Концентрация серной кислоты РН Глубина разрушения, см

1 год 10 лет 20 лет 50 лет

0,0001 Н 4 0,08 0,27 0,39 0,62

0,001 Н 3 0,23 0,88 1,25 1,97

0,01 Н 2 0,88 2,79 3,94 6,22

0,03 Н 1,5 1,52 4,83 6,82 10,78

0,1 Я 1 2,78 8,82 12,45 19,68

Так, расчеты показывают, что увеличение концентрации кислоты в 10 раз с 0,01 до 0,1 Н сопровождается увеличением скорости коррозии больше чем в 2 раза. В случае, если в бетоне в качестве крупного заполнителя используется известняк, часть кислоты расходуется на взаимодействие с ним, при этом продукты коррозии известняковых зерен имеют кристаллическое строение. По расчету глубина разрушения бетона в 0,1 Н растворе серной кислоты за 42 суток составила 0,23 мм для бетона на гранитном щебне, а для бетона того же состава, но на известняковом щебне - 0,07см.

В целом, анализ имеющейся научной литературы позволил выявить достаточно большое количество работ, посвященных вопросам, связанным с расчетом обделок коллекторных тоннелей, в том числе с учетом снижения их несущей способности в результате коррозии бетона.

Так, в работе /101/ указывается, что признаками, позволяющими приближенно судить о возможности разрушения коллекторного тоннеля, являются "местные понижения рельефа над коллектором с

пологими откосами и незначительными амплитудами". В связи с этим делается вывод: "... обделка коллектора, подвергающаяся действию только веса грунтового массива, обладает несущей способностью при уменьшении толщины до 5 см. Это значение толщины обделки можно рассматривать как критическое. Дальнейшее уменьшение толщины обделки может привести к аварийной ситуации".

Ю.Н. Куликов /76/, основываясь на методике /63/, предложил формулу, для определения межремонтного периода эксплуатации / коллекторного тоннеля (времени наработки на отказ), обделка которого подвергается углекислой газовой коррозии, который определяется степенью карбонизации СаО в цементе, концентрацией С02 или другого газа в воздухе, глубина нейтрализации бетона кислым газом с образованием слаборастворимых солей.

В качестве обоснования достоверности результатов, получаемых по предложенной формуле, автор приводит анализ газовой составляющей 12 коллекторных тоннелей г. Москвы, который позволил выявить минимальный срок эксплуатации - 5 лет, а