Тоннель с отрицательной в зимний период температурой воздуха в его внутренней части
TUNNEL WITH SUB-ZERO AIR TEMPERATURE IN WINTER IN ITS INTERIOR PART

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству подземных сооружений или тоннеля.
Известен тоннель с отрицательной в зимний период температурой воздуха в его внутренней части, содержащий по его длине центральный участок, расположенный на расчетной глубине, и два переходных открытых сверху участка, соединяющих центральную часть с дневной поверхностью грунта, при этом все три участка в поперечном сечении содержат лоток с расположенным над ним полотном дороги и бетонные стены (Метро и тоннели, №2, 2001, «Строительство тоннеля под каналом имени Москвы»).
Недостатком тоннеля является наличие деформационных швов, расположенных на расчетном расстоянии друг от друга. В результате в зимний период в зоне деформационных швов формируются наледи, которые существенно осложняют эксплуатацию.
Известен тоннель с отрицательной в зимний период температурой воздуха в его внутренней части, содержащий по его длине центральный участок, расположенный на расчетной глубине, и два переходных открытых сверху участка, соединяющих центральную часть с дневной поверхностью грунта, при этом все три участка в поперечном сечении содержат лоток с расположенным под ним полотном дороги и бетонные стены, и выполнены непрерывными без деформационных швов (Метро и тоннели, №2, 2001, «Строительство тоннеля под каналом имени Москвы»). Текст статьи приведен в Приложении к описанию изобретения.
Недостатком данного технического решения является то, что отсутствие деформационных швов достигалось усиленным продольным армированием. Эта мера не устраняет напряженное состояние бетона, а лишь распределяет крупные трещины на мелкие. При этом с учетом применения гидроизоляции водопроницаемость бетона оказалась незначительной, но резко снизилась долговечность бетона.
Целью предлагаемого технического решения является повышение долговечности тоннеля.
Поставленная цель достигается тем, что тоннель с отрицательной в зимний период температурой воздуха в его внутренней части содержит по его длине центральный участок, расположенный на расчетной глубине, и два переходных открытых сверху участка, соединяющих центральную часть с дневной поверхностью грунта. Все три участка в поперечном сечении содержат лоток с расположенным над ним полотном дороги и бетонные стены, и выполнены непрерывными без деформационных швов. Тоннель содержит терморегулирующее покрытие, водоотводящий слой, водоотводные трубопроводы, а все бетонные элементы лотка, стен и перекрытия содержат организованные трещины, при этом водоотводящий слой расположен на поверхности лотка и стен со стороны внутренней части тоннеля, терморегулирующее покрытие расположено непосредственно на водоотводящем слое на всем протяжении этого слоя, водоотводные трубопроводы расположены в нижней части лотка и соединены каналами с водоотводящим слоем. Организованные трещины расположены одновременно по всему поперечному бетонному сечению, сформированы в местах целенаправленного ослабления бетонного сечения в расчетных точках и заинъектированы составом, имеющую не меньшую чем бетон прочность, при этом расстояние по длине тоннеля между организованными трещинами назначено по расчету.
Кроме того, центральный участок имеет перекрытие, содержащее бетонную плиту перекрытия, расположенные на нижней поверхности плиты сначала водоотводящий слой, а затем терморегулирующее покрытие, а на верхней поверхности сначала слой грунта и затем слой теплоизоляции, причем водоотводящий слой, терморегулирующее покрытие, слой грунта и слой теплоизоляции расположены на всем протяжении поперечного сечения.
Кроме того, лоток при уровне грунтовых вод выше уровня дренажных трубопроводов выполнен в виде плиты из армированного бетона.
Кроме того, тоннель содержит слой теплоизоляции, расположенный в уровне дневной поверхности грунта за пределами сечения тоннеля с каждой стороны на ширину «С», при этом
п
C=4 h, м,
п
где h - глубина сезонного промерзания грунта при оголенной от снега поверхности.
Кроме того, стены выше уровня грунтовых вод выполнены из гофрированного металла с вертикальной ориентацией гофров.
Кроме того, водоотводящий слой выполнен из пористого материала с незамкнутыми порами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен аналог изобретения - тоннель с деформационными швами, сечение по продольной оси тоннеля;
на фиг. 2 представлен прототип изобретения - сильноармированный тоннель без деформационных швов, сечение по продольной оси тоннеля;
на фиг. 3 представлено предлагаемое техническое решение тоннеля без деформационных швов, сечение по продольной оси тоннеля;
на фиг. 4 представлено поперечное сечение центрального участка тоннеля в случае наличия перекрытия, сечение А-А на фиг. 3;
на фиг. 5 представлено поперечное сечение переходного участка тоннеля, сечение Б-Б на фиг. 3;
на фиг. 6 представлено поперечное сечение переходного участка тоннеля, сечение Б-Б на фиг. 3, вариант, когда уровень грунтовых вод ниже дренажных трубопроводов;
на фиг. 7 представлено поперечное сечение переходного участка тоннеля, сечение В-В на фиг. 3, вариант для низкого уровня грунтовых вод;
на фиг. 8 представлено поперечное сечение центрального участка тоннеля при наличии перекрытия, сечение Г-Г на фиг. 3;
на фиг. 9 приведена расчетная схема для проведения теплофизического расчета лотковой части тоннеля, сечение Д-Д на фиг. 4;
на фиг. 10 приведена эпюра распределения температур по глубине в лотковой части тоннеля (см. фиг. 9) в момент максимального промерзания;
на фиг. 11 приведена расчетная схема для проведения теплофизического расчета перекрытия тоннеля, сечение Е-Е на фиг. 4;
на фиг. 12 приведена эпюра распределения температур по толщине перекрытия (см. фиг. 11) в момент максимального промерзания;
на фиг. 13 приведена расчетная схема для проведения теплофизического расчета стены тоннеля, сечение Ж-Ж на фиг. 4;
на фиг. 14 приведена эпюра распределения температур по толщине стены и прилегающего грунта (см. фиг. 13) в момент максимального промерзания;
на фиг. 15 представлено требуемое положение нулевой изотермы в зоне верхней части стены при открытом сечении в момент максимального промерзания.
Кроме того, к тексту описания прилагается Приложение с текстом статьи, которая описывает прототип.
Тоннель с отрицательной в зимний период температурой воздуха в его внутренней части содержит по его длине два переходных 1 открытых сверху участка и расположенный между ними центральный 2 участок. Температура во внутренней части тоннеля приближается к температуре наружного воздуха, т.е. температуре воздуха над дневной поверхностью грунта. Это имеет место потому, что концевые участки открыты сверху, а центральный участок либо тоже является открытым, либо, если не открытый, то, как правило, короткий и продувается.
На фиг. 1 представлен аналог - тоннель, содержащий бетонную обделку 3, защищенную гидроизоляцией 4, имеющий по длине деформационные швы 5. Полотно дороги (железной или автомобильной) в подземной 6 части переходит в надземную 7 часть. Водонепронецаемость швов трудно обеспечить, поэтому в зимний период в местах швов образуются наледи, усложняющие эксплуатацию тоннеля.
На фиг. 2 представлен прототип - тоннель, не имеющий деформационных швов. Это было достигнуто за счет сильного армирования бетона. В результате исчезли большие трещины, но весь бетон насыщен микротрещинами, которые резко снижают долговечность материала, а следовательно, и всего тоннеля.
Поставленная цель - повышение долговечности тоннеля - достигается введением новых элементов: организованных трещин 8, терморегулирующего покрытия 9, водоотводящего слоя 10 с водоотводными трубопроводами и слоя теплоизоляции 11.
На фиг. 4 (сечение А - А на фиг. 3) представлено поперечное сечение центрального 2 участка тоннеля в случае наличия перекрытия. Обделка 3 (см. фиг. 3) выполнена из монолитного бетона и содержит лотковую плиту 12, стены 13 и плиту 14 перекрытия. Бетон может быть армирован в соответствии с расчетами. По всему поперечному сечению расположен водоотводящий слой 10. Для отвода воды в нижней части лотковой плиты 12 предусмотрены утолщения 15, в которых расположены водоотводные трубопроводы 16, которые связаны каналами 17 с водоотводящим слоем 10. Водоотводящий слой 10 расположен непосредственно с внутренней стороны обделки (позиции 12, 13, 14), а с ним с внутренней стороны (полость 18) контактирует терморегулирующее покрытие 9. Терморегулирующее покрытие 9 может состоять из пассивной теплоизоляции (например, пенополистирол), а может содержать элементы активного теплового действия (например, нагреватели). В каждом конкретном случае это решается в соответствии с местными условиями.
В лотковой зоне расположено полотно 6 дороги. Обделка со стороны грунта может быть защищена гидроизоляцией 4. В уровне дневной поверхности 19 грунта (У П) расположена теплоизоляция 11, которая на ширине «в» поперечного сечения тоннеля расположена непосредственно над тоннелем, и имеет боковые участки шириной «с», иногда с вертикальными участками 20. Теплоизоляция 11 защищена защитным слоем 21.
На фиг. 5 (сечение Б - Б на фиг. 3) приведено поперечное сечение переходного 1 участка тоннеля. Такое же поперечное сечение может быть и на центральном участке при небольшой общей глубине расположения полотна 6 дороги. Основные элементы поперечного сечения в основном те же, что и на фиг. 4. Но теплоизоляция 11 расположена только с внешней стороны тоннеля и отделяется от терморегулирующего слоя 9 швом 22. Для обеспечения возможности дополнительного прогрева обустроены нагревательные элементы 23. На фиг. 6 приведен вариант поперечного сечения, изображенного на фиг. 5. В том случае, если уровень 24 грунтовых вод (УГВ) ниже водоотводных трубопроводов 16, то лотковая часть расположена непосредственно на грунте 25, при этом устойчивость стенок обеспечивается распорками 26.
На фиг. 7 (сечение В-В на фиг. 3) приведен вариант поперечного сечения переходного участка 1, когда уровень 24 грунтовых вод (УГВ) ниже уровня 19 дневной поверхности (УП). В этом случае верхняя часть обделки выполнена из гофрированного металла 27 с вертикальной ориентацией гофров.
На фиг. 8 (сечение Г-Г на фиг. 3) приведен вариант поперечного сечения центрального участка 2, когда толщина грунта между перекрытием и дневной поверхностью 19 грунта не хватает для обеспечения необходимого температурного режима обделки тоннеля. В этом случае перекрытие осуществлено пролетным строением 28, которое через опорные части 29 опирается на стены 13.
Тоннель с отрицательной в зимний период температурой в его внутренней части работает следующим образом.
В зимний период холодный воздух поступает в полость 18 тоннеля и охлаждает внутреннюю поверхность тоннеля. Кроме того охлаждается массив грунта с дневной поверхности 19. Со стороны полости 18 недопустимому охлаждению препятствует терморегулирующее покрытие 9, а со стороны дневной поверхности 19 недопустимому охлаждению препятствует теплоизоляция 11.
Формирование температурного режима тоннеля в зимний период происходит следующим образом.
В общем в зоне тоннеля идет трехмерный тепловой процесс. Однако тепловыми потоками в направлении продольной оси тоннеля можно пренебречь, за исключением отдельных узлов. Оставшийся двумерный процесс формируется за счет взаимосвязи характерных одномерных процессов.
Одномерный процесс теплопередачи в лотковой части происходит в расчетной зоне, которую можно представить колонкой на фиг. 9: сверху щебень полотна дороги 6, далее терморегулирующее покрытие 9, водоотводящий слой 10, плита из армированного бетона 12 и грунт 25 основания. Необходимо, чтобы в холодный период года всегда температура в зоне водоотводящего слоя 10 была положительной. Это достигается соответствующей мощностью терморегулирующего покрытия 9, с одной стороны, и потоком тепла из глубинных слоев грунта (например, среднегодовая температура грунта на глубине 10 м и более равна в Москве +8°С). Эпюра 30 распределения температур по глубине в самый неблагоприятный момент приведена на фиг. 10. Точка М перехода из отрицательной в положительную часть эпюры расположена в пределах терморегулирующего покрытия 9.
Одномерный процесс теплопередачи в перекрытии (см. фиг. 4) происходит в расчетной зоне, которую можно представить колонкой на фиг. 11. Здесь в зимний период охлаждение происходит как сверху, так и снизу. Условие здесь должно быть обеспечено то же, что и в предыдущем случае: в пределах водоотводящего слоя круглый год должна быть обеспечена положительная температура. Это обеспечивается, с одной стороны, терморегулирующим слоем 9, а с другой, - запасом тепла, аккумулированном в летний период в перекрытии, в основном за счет слоя грунта 25. В связи с изложенным, данная конструкция возможна при определенной минимальной толщине этого слоя. На фиг. 12 приведено распределение температур (эпюра 31) по толщине перекрытия в самый неблагоприятный момент времени: точка N перехода эпюры из положительной в отрицательную зону расположена в пределах терморегулирующего покрытия 9.
Одномерный процесс теплопередачи в стене охарактеризован фигурами 13 и 14. Он качественно аналогичен процессу теплопередачи в лотковой части (см. фиг. 9 и 10).
Наиболее сложно обеспечить положительные температуры в водоотводящем слое 10 в верхней части стены 13 при открытом сверху сечении. В самом неблагоприятном моменте времени очертание нулевой изотермы 33 должно быть обеспечено в соответствии с фиг. 15. Увеличение теплоизоляции может оказаться нерациональным. В этом случае терморегулирующее покрытие 10 целесообразно снабдить греющим кабелем 23, который может включаться в экстремальные моменты времени.
Говоря о работе тоннеля, необходимо отметить, что водонепроницаемость бетонной обделки обеспечена тем, что в ее конструкции предусмотрены «организованные трещины», которые образуются в специально ослабленных местах поперечного сечения по длине тоннеля и инъектируются в момент достижения бетоном температур, близких к нулю. В результате обеспечивается водонепроницаемость организованных трещин.
Тоннель с отрицательной в зимний период температурой в его внутренней части сооружается следующим образом.
Следует отметить одну важную особенность сооружения, которая отличает предлагаемое техническое решение: это формирование «организованных трещин» в процессе бетонирования обделки, сущность которых будет изложена в следующем разделе.
Характеристика существенных признаков.
Основная цель данного технического решения является повышение долговечности тоннеля. Это достигается несколькими мерами.
Первая мера (первый существенный признак) - организованные трещины в бетонной обделке тоннеля. Дело в том, что при твердении бетонной смеси происходит выделение большого количества тепла, и бетонная монолитная обделка при изготовлении разогревается до 60°С и выше. При остывании обделка по длине должна сократиться, но окружающий грунт не позволяет проявиться свободным деформациям. Возникают напряжения, значительно превышающие предел прочности бетона на растяжение, что приводит к образованию трещин. Трещины возникают беспорядочные и на небольшом расстоянии друг от друга, что по существу разрушает структуру бетона и резко снижает его долговечность. Чтобы это предотвратить, на определенном расстоянии по длине тоннеля поперечное сечение ослабляется с поверхности, в результате трещины сразу формируются в ослабленных местах и по мере остывания бетона увеличиваются в размерах. Остальной бетон остается без трещин. До того момента, когда трещина раскрыта, напряжения в бетоне равны нулю. Как только мы заинъектируем трещину твердеющим составом, дальнейшее понижение температуры обделки будет приводить к возникновению и росту растягивающих напряжений. Чтобы напряжения не превысили допустимых значений по прочности и, следовательно, чтобы не образовались новые трещины, инъектирование (т.е. замыкание смежных с трещиной частей) организованных трещин должно иметь место при как можно более низкой температуре. Если замкнуть при самой низкой зимней температуре, то при дальнейшей эксплуатации, напряжения будут возникать только в летний период, и они будут сжимающие. Однако ожидание зимнего периода и самой низкой температуры резко увеличивает строительный период, поэтому замыкание обделки целесообразно производить при положительной температуре. Но тогда будут большие растягивающие напряжения в зимний период (и появление трещин).
Для устранения этого недостатка в поперечном сечении тоннеля предусмотрено терморегулирующее покрытие 9 (второй существенный признак). Терморегулирующее покрытие может состоять только из пассивной теплоизоляции, а может содержать дополнительно и активные нагревательные элементы, например, греющий кабель 23 (см. фиг. 5). Указанное покрытие рассчитывается таким образом, чтобы внутренняя поверхность бетонной обделки круглый год имела положительную температуру.
Несмотря на наличие гидроизоляции 4, возможны протечки воды сквозь повреждения гидроизоляции. Протечки могут быть и ниже уровня грунтовых вод, и за счет поверхностных вод, протекающих с поверхности в глубинные слои, и за счет дождевых вод при открытом сечении. Для устранения протечек между терморегулирующим покрытием 9 и обделкой устроен водоотводящий слой 10, который позволяет собирать воду с любой части поперечного сечения тоннеля и передавать ее в водоотводные трубопроводы 16 через каналы 17. Таким образом, водоотводящий слой, водоотводные трубопроводы и каналы являются соответственно третьим, четвертым и пятым существенными признаками.
Существенными признаками являются такие признаки, отраженные в ограничительной части формулы. Центральный и переходные участки (шестой и седьмой существенные признаки) - характеризуют однозначно состав конструкции заявленного тоннеля и являются соответственно шестым и седьмым существенными признаками. Восьмым и девятым существенными признаками являются лоток и стены тоннеля, поскольку также однозначно определяют состав конструкции заявленного тоннеля.
Все перечисленные выше девять существенных признаков являются необходимыми для достижения заявленного технического результата - повышения долговечности тоннеля. Других существенных признаков не требуется, поэтому указанные признаки являются также достаточными.
В ряде частных случаев заявляемое техническое решение может быть усовершенствовано, что изложено в пп. 2. 3, 4, 5, 6 формулы изобретения. Дополнительные существенные признаки, позволяющие достичь при соответствующих условиях заявляемый технический результат более простым способом являются: перекрытие (фиг. 4) в центральном участке тоннеля (десятый существенный признак), плита (фиг. 4) из армированного бетона (одиннадцатый существенный признак), теплоизоляция (фиг. 5), уложенная в уровне дневной поверхности грунта за пределами сечения тоннеля (двенадцатый существенный признак), часть стены (фиг. 7) из гофрированного металла (тринадцатый существенный признак) и схема водоотводящего слоя (четырнадцатый существенный признак).
Эффективность предлагаемого технического решения определяется, прежде всего, достижением основной цели - повышением долговечности тоннеля. Одновременно получен и другой эффект - существенное улучшение условий эксплуатации. Все это достигается за счет:
- отсутствия деформационных швов;
- отсутствия трещинообразования в бетоне;
- снятия проблемы морозостойкости бетона обделки (круглый год положительная температура);
- налаживания водоотвода в зимний период;
- отсутствия наледей.
Приложение
к описанию изобретения
(статья из журнала «Метро и тоннели», №2, 2001
«Строительство тоннеля под каналом имени Москвы»)