Причины возникновения дефектов в обделках городских подземных сооружений

УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ОБДЕЛКАХ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Основными причинами фильтрации грунтовых вод в подземные сооружения являются следующие:

• наличие грунтовых вод в зоне заложения тоннелей, т. е. гидрогеологические факторы;

• дефекты гидроизоляции, главным образом зависящие от качества выполнения работ;

• недостатки в самих строительных и изоляционных конструкциях.

Рассмотрим эти факторы подробнее на примере бетонных тоннелей метрополитена.

Гидрогеологические факторы

Тоннели глубокого заложения с бетонной или железобетонной обделкой большей частью располагаются ниже уровня грунтовых вод или частично соприкасаются с ними. В некоторых случаях тоннели залегают в водонепроницаемых грунтах (глинах), но и здесь к тоннелю может поступать вода с соседних насыщенных водой участков, а иногда и из горизонтов, расположенных выше. В последнем случае вода фильтруется вдоль шахт, пересекающих водонасыщенные породы.

Характерными в этом отношении являются натяжные камеры станций, прилегающие к эскалаторным тоннелям, так как последние пересекают слои пород, расположенных выше

шелыги свода натяжной камеры. Среди пересекаемых эскалаторным тоннелем пород имеются породы, обильно насыщенные водой. В результате этого вода, фильтруясь вдоль эскалаторного тоннеля, создает на уровне натяжных камер большой напор и находит места выхода внутрь тоннеля. Это одна из причин фильтрации.

Недостатки конструкций и про-изодства работ

Материалом для сооружения обделки тоннелей служит бетон или бутовая кладка. Сами по себе такие материалы практически водопроницаемы. При возведении обделки по условиям производства не всегда можно обеспечить высокое качество работ.

Бетонные тоннели по условиям производства работ имеют большое количество рабочих швов (швов бетонирования), в которых не может быть одинаковой однородности материала в плане плотности и водонепроницаемости.

Характерными для фильтрации воды через швы в конструкциях, являются участки тоннелей из железобетонных блоков, т. е. участки тоннеля, выполненные из отдельных блоков, без монолитной связи друг с другом. Такие тоннели имеют наибольшую фильтрацию по сравнению с участками, выполненными из монолитного бетона.

Производимая вслед за возведением обделки тоннеля цементация для заполнения оставшихся пустот за обделкой может значительно уменьшить отмеченные дефекты в бетонной кладке, но лишь при определенных геологических условиях участка. Таким условием является наличие за обделкой трещиноватых твердых пород. При условиях залегания тоннелей в суглинках или песчаных грунтах нагнетание растворов не всегда дает положительный эффект.

Устройство больших участков тоннеля глубокого заложения без температурных и осадочных швов приводит к образованию поперечных трещин в железобетонной рубашке и, возможно, в самой обделке тоннеля.

Гидроизоляция

Одной из основных причин фильтрации воды в тоннели является недостатки в устройстве гидроизоляции - дефектная гидроизоляция. Теоретически рассуждая, правильно выполненная гидроизоляция должна обеспечить водонепроницаемость тоннеля даже в том случае, если тоннель окружен водой со всех сторон. Однако выполнить качественно изоляцию, особенно в условиях притока вод, не всегда удается.

В качестве основных дефектов гидроизоляции могут иметь место следующие:

• отставание изоляции от обделки тоннеля при наличии зазора между обделкой и железобетонной рубашкой. Такое отставание (отлипание) гидроизоляционного слоя от обделки приводит к деформациям ковра изоляции, к нарушению стыков и разрыву ковра;

• в тоннелях мелкого заложения изоляция может быть нарушена при неравномерной осадке тоннеля и защитной стенки и вследствие температурных воздействий;

• прорыв мембраны вследствие недостаточно тщательного оштукатуривания изолируемой поверхности;

• отставание мембраны от конструкции вследствие наклейки ее на сырую поверхность обделки;

• плохое соединение стыков мембраны вследствие склейки слоев остывшей клебемассой.

• плохое прикрепление мембраны может быть вызвано наличием

потеков застывшего битума как на мембране, так и на изолируемой поверхности;

• механическое повреждение мембраны при бетонировании и при установке арматуры;

• пережог слоев мембраны при разогревании клебемассы, застывшей в месте стыкования слоев.

Указанные дефекты могут быть не обнаружены в процессе производства работ, после же окончания работ, во время эксплуатации, в этих местах появляется фильтрация воды.

Таким образом, анализ дефектов несущих конструкций подземных сооружений позволяет установить причины их возникновения, обусловленные наличием фильтрационных процессов в системе «породный массив -несущие конструкции подземного сооружения».

Эти процессы протекают различно в зависимости от геологического строения и гидрогеологических характеристик массива вмещающих горных пород. В этой связи исследователи фильтрационных процессов по-разному подходят к объяснению механизма появления отказов обделок, сходясь, однако, в определении явления образования заобделочных пустот как главной причины. Одни исследователи считают, что в основе образования дефектов обделок подземных сооружений лежит вынос грунта через «свищи» и другие не-

плотности, ведущие к нарушению статической схемы нагружения и работы обделок. Другие полагают фильтрационные процессы более сложным геологическим явлением, активно воздействующим на подземные объекты.

При неравномерной и значительной водопроницаемости породного массива фильтрация подземных вод приводит к прорыву воды в подземное сооружение и выносу рыхлого материала из него с образованием фильтрационных деформаций, которые могут быть вызваны рядом причин:

• растворением пород и образованием крупных пор и промоин;

• перемещением или вымывава-нием рыхлого заполнителя карстовых полостей и трещин, кольматацией, эрозионным размывом, суффозным выносом рыхлых отложений;

• силовым воздействием воды на породу, которое чаще всего проявляется в виде пластично-разрывной (взлом) или упруго-разрывной (выдавливание) деформаций.

Как следует из представленного списка, часто в качестве причин образования фильтрационных деформаций выдвигается растворение пород и вымывание рыхлого заполнителя и несвязного грунта. Действительно, в силу сравнительно неглубокого заложения в большинстве подземных сооружений доминируют процессы суффозии и псевдоразжижения грунтов.

Результаты обследования несущих конструкций подземных сооружений, изложенные выше, показывают, что появление дефектов начинается с образования мокрых пятен, течей и, в конечном счете, «свищей», вынос грунта через которые нарушают статическую работу обделки.

Пользуясь методами механики подземных сооружений, автор работы [1] показывает, что в результате такого выноса грунта через возникшие дефек-

ты за счет неравномерного обжатия колец происходит значительное уменьшение или увеличение вертикального диаметра по сравнению с проектным (отрицательная и положительная эллиптичность). При этом возникают избыточные напряжения в нижней трети смежного блока сборной обделки. Установлено, что при отрицательной эллиптичности -5 см происходит уменьшение несущей способности обделки на 12,5 %, а при -10 см - в 3 раза. Одновременно, изменение плотности грунта в заобделочном пространстве вызывает уменьшение упругого отпора с 0,5-104 кН/м3 до 0,1-104 кН/м3, что приводит к снижению несущей способности обделки в 20 и более раз. В совокупности это и является причиной образования продольных и, отчасти, поперечных трещин в несущих конструкциях подземного сооружения под действием нагрузок от горного давления, смещения элементов обделки относительно друг друга, сколов и других разрушений блоков и тюбингов.

Таким образом, вскрытие механизма образования течей («свищей») и выноса грунта в подземное сооружение является важнейшим аспектом проблемы обеспечения фильтрационной надежности подземного сооружения.

Другим подходом к проблеме отказов обделок городских подземных сооружений состоит в выделении явления суффозии и выноса несвязных грунтов, увязывании подземного объекта с общей геологической и гидрогеологической обстановкой района его расположения.

В частности, при сооружении подземных объектов, кровля которых находится ниже уровня подземных вод или близко к кровле напорного горизонта, возникают напорно-силовые деформации [2]. Гидростатическое давление воды, содержащейся в по-

роде, особенно глинистой, может явиться причиной деформаций и пучения элементов подземного сооружения, особенно при возведении его под водонепроницаемым слоем напорного водоносного горизонта.

При мощности водоупорного слоя, недостаточной для удержания избыточного давления воды, может возникнуть ее прорыв в сооружение.

Гидрогеологические условия массива горных пород при строительстве и эксплуатации подземных сооружений могут обусловливать различную степень их деформаций:

• при размещении подземных сооружений в водопроницаемых породах понижение уровня грунтовых вод приводит к образованию депрес-сионной воронки, что может сопровождаться возникновением просадок, вызывающих деформацию подземного объекта;

• при размещении подземных сооружений в водонепроницаемых породах, ниже которых, на сравнительно небольшой глубине находится водоупорный слой, напор подземных вод которого не уравновешен толщей вышележащих пород, возникают просадки подземного сооружения, а также деформации земной поверхности;

• при размещении подземных сооружений в мощной толще водоупорных пород, ослабленных зонами трещиноватости или тектонических нарушений или незатампонированных

1. Отчет «Изучение состояния существующих типов крепи городских подземных сооружений». - М.: МГИ, 1980.

скважин, потоки могут через стенки сооружения.

В этих случаях управление фильтрационными свойствами пород может достигаться созданием противо-фильтрационных завес или водопо-нижением. Последнее, в ряде случаев, может оказать отрицательное воздействие на совместную работу массива горных пород с подземным сооружением. Возникающее при отключении системы водопонижения увеличение напоров быстро передается трещиноватым породам, что приводит к фильтрационным деформациям, разрушению структурно тонких прослоев и резкому ослаблению их прочности.

Каждый из рассмотренных подходов в объяснению причин отказов несущих конструкций подземных сооружений является дополнением к другому, поэтому необходимо выбрать третий подход, основанный на объединении первого и второго. При этом следует иметь в виду, что всякому нарушению несущих конструкций подземного сооружения и интенсификации геологических процессов во вмещающем породном массиве, направленных на разуплотнение грунтов, дают начало деструктивные процессы в обделке. Следовательно, возникает необходимость анализа факторов, определяющих начало образования неплотностей обделок и связанного с этим выноса заобделочных пород в сооружение.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Молоков Л. А. Взаимодействие инженерных сооружений с геологической средой. - М.: Недра, 1988, 222 с.

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------

Куликова Е.Ю. - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.