Криволинейное прокладывание коллекторных тоннелей в условиях плотной городской застройки

--© Н.В. Зуевская, С.М. Стовпник,

Л.В. Денисова, 2013

УЛК 624.191.2

Н.В. Зуевская, С.М. Стовпник, Л.В. Денисова

КРИВОЛИНЕЙНОЕ ПРОКЛАДЫВАНИЕ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Представлены геотехнические особенности и конструктивные решения технологии микротоннелирования на криволинейных трассах. Ключевые слова: микротоннелирование, усилия продавливания, обделка, эксплуатационные нагрузки, трешинообразование.

Актуальность работы. Коллекторные конструкции, прокладываемые в городских условиях достаточно сложно и нерационально выполнять по прямолинейной траектории из-за плотной городской застройки и наличия существующих подземных коммуникаций. Наиболее целесообразно для таких условий применяют современную технологию мик-ротоннелирование.

Наряду с явным преимуществом данного способа прокладки инженерных коммуникаций по сравнению с традиционной методикой строительства в открытых траншеях, устройство микротоннеля в условиях тесной городской застройки вызывает необходимость решения ряда геотехнических проблем и поиска конструктивных решений.

Цель исследований - повышение сроков эксплуатации коллекторных коммуникаций на криволинейных участках, построенных с использованием технологии микроттонелирования.

Идея работы заключается в обосновании нового конструктивного решения, которое позволит компенсировать разрушающие нагрузки в обделке на криволинейных участках коллекторных коммуникациях.

Разрушение коллекторных тоннелей и преждевременный выход их из строя происходит в результате следующих факторов: газовая и химическая коррозия за счет агрессивности среды; механический износ; трещинообразование под воздействием внешних нагрузок; нарушение плотности стыковки.

Рис. 1. Образование поперечных и продольных трещин в обделке коллекторного тоннеля

Наиболее существенное нарушение конструкции происходит при трещинообразовании (рис. 1) и нарушении герметичности стыков.

Трещинообразование можно предупредить повышением степени армирования с использованием спиральных конструкций [1, 2].

Анализ состояния существующих коллекторных сетей показывает, что основной причиной нарушения герметичности является увеличение усилий продавливания, которые более существенны на криволинейных участках трассы при микротон-нелировании (рис. 2).

На криволинейных участках трассы распределение усилий продавливания между отдельными элементами обделки и равнодействующие этих усилий оказываются приложенными к торцевым сечениям обделки с различными эксцентриситетами в зависимости от кривизны трассы. Смещение равнодействующих относительно центральной оси элемента обделки и появление внецентренных усилий продавливания происходит в результате разворота элементов обделки на криволинейных участках.

В расчетах обделок должны учитываться следующие основные нагрузки и воздействия, определяющие их конструктивные решения:

- эксплуатационные поперечные нагрузки относительно продольной оси тоннеля (горное давление, собственный вес обделки, от транспорта на земной поверхности, транспортируемой жидкости в напорном и безнапорном режимах, воздействие подземных вод);

Рис. 2. Разрушение торцевой части обделки в виде скопа

- монтажные продольные нагрузки относительно продольной оси тоннеля (от домкратных установок, сил трения по боковой поверхности обделки, лобового сопротивления проходческого забоя).

Монтажные продольные нагрузки в виде сил трения по боковой поверхности обделки напрямую зависят от контактного давления между обделкой и грунтовым массивом, которое, в свою очередь, определяется эксплуатационными поперечными нагрузками.

Трубы для микротоннельной прокладки трубопровода рассчитаны из условия их работы в грунте с глубиной заложения над верхом трубопровода: до 6 м - группа 4; до 10 м - группа 5; до 15 м - группа 6. Расчетные нагрузки на трубы в зависимости от диаметра, веса грунта и временной подвижной нагрузки представлены на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема взаимодействия торцевых частей обделки с характерными точками для которых определили главныге составляющие напряженного состояния (а„ а? ав): 1 - торец, внешний контур, сторона обделки; 2 - торец, внешний контур, своды и лоток обделки; 3 - торец, внутренний контур, сторона обделки; 4 - торец, внутренний контур, своды и лоток обделки

Наиболее напряжённым будет элемент обделки, расположенный на входе в криволинейный участок [2, 3, 4, 5]. Этот элемент воспринимает максимальное осевое напряжение сжатия в торце Огтах, а также будет воспринимать максимальные радиальные контактные напряжения огтах со стороны массива при развороте обделки на криволинейном участке. Прокладка коллекторного туннеля рассчитана для грунтовых условий г. Киева (табл. 1).

Таблица 1

Физико-механических свойства грунтов, для которыгх производились расчеты

Содержание частиц (%) при их диаметре (мм) Удельный вес ув кН/м2 объемный вес у кН/м3 природная влажность W част. од. Угол внутреннего тренияя Ф° град. границы платичности

больше 2,00 2,00-0,50 0,50-0,25 0,25-0,10 меньше 0,10 Wр част. од. Щ част. од.

6,5 27 26 19 21,5 28 18,5 0,03 20° - -

27,4 20 0,11 29°20' 0,114 0,176

6,5 27 26 19 21,5 27 18 0,03 38° - -

Таблица 2

Результаты расчетов для наших грунтовых условий

Диаметр, мм Контрольная равномерно распределенная нагрузка на метр полезной длины трубы, кН/м

по проверке прочности по проверке трешиностойкости

Для глубины

6 10 15 6 10 15

1200 83,18 113,45 - 42,27 71,14 -

В работе [2] рассматривается продавливание обделки по криволинейной трассе с малым радиусом кривизны в слабых илистых грунтах. Обсуждается величина отпора грунта при развороте обделки с отсутствием деревянных прокладок, принятых в европейской практике микротоннелирования, и, как следствие этого, контакт между смежными элементами обделки в угловых точках А и В, что показано на рис. 4, а при кривизне в горизонтальной плоскости. В этом случае, если пренебречь малой по величине горизонтальной составляющей усилий продавливания, неуравновешенный момент усилий продавливания при развороте обделки составит (Рп - Рп-1) г = ¥г где г - плечо неуравновешенного

момента, равное половине внешнего диаметра обделки; В- сопротивление трения по боковой поверхности обделки.

а

Рис. 4. а) расчётная схема по определению неуравновешенного момента, создаваемого усилиями продавливания без регулирующих устройств, по данным работы [2]; б) расчётная схема по определению неуравновешенного момента, создаваемого усилиями продавливания с регулирующими устройствами

Рис. 5. Форма демпфирующий вставки в виде резиновой обоймы после введения их на криволинейном участке

Чтобы обеспечить продавливание обделки и компенсировать продольные нагрузки на криволинейном участке в слабых грунтах предлагается использование демпфирующей вставки в виде резиновой обоймы (рис. 5). Обоймы изготавливают из плотной термо-, свето-, озоно-, морозостойкой резины на основе этиленпропиленового каучука (ЕРОМ) с внутренними ребрами жесткости, позволяющие менять форму на криволинейных участках, обеспечивающие расширенный диапазон рабочих температур (от -50 °С до + 80 °С), гибкость и эластичность при отрицательных температурах, высокую химическую стойкость, долговечность, простоту монтажа, экологическую безопасность.

В результате применения таких вставок достигается смещение равнодействующей усилий продавливания практически до продольной оси элемента обделки и величина неуравновешенного момента и, следовательно, величина уравновешивающего момента со стороны породного массива становятся малыми, т.е. необходимость создания отпора со стороны окружающего грунтового массива не возникает (рис. 4, б) также , на криволинейных участках трасы, максимальные стыковые напряжения отах без применения резиновых обойм значительно выше нежели стыковые напряжения отах при применение обойм, что влечёт за собой снижение монтажных нагрузок почти в 3 раза (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость максимальных стыковых напряжений от глубины заложения и длины проходки Ь: а) без применения резиновых обойм; б) с использованием резиновых обойм

Выводы

В результате проведенных расчетов эксплуатационных нагрузок в стыковых точках железобетонной обделки при использовании технологии микротоннелирования на криволинейных участках, были определены критические значения напряженного состояния обделки. Для компенсации избыточных эксплуатационных нагрузок на торцах обделки предложено применение демпфирующей вставки в виде резиновой обоймы. Применение демпфирующих вставок в виде резиновой обоймы обеспечивает предотвращение разрушения торцевых частей секционной обделки, что позволяет повысить срок эксплуатации коллекторных туннелей при микротоннелировании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ресслер У.В. Обоснование нагрузок на обделку тоннелей при микро-тоннелировании. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Фонды МГГУ, 2006.

2. Йорг Кристиан Штернагель. Геомеханическое прогнозирование процессов деформирования и разрушения обделки тоннелей в технологии мик-ротоннелирования.. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Фонды МГГУ, 2004.

3. ДБН В. 1.2-2: 2006. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования.

4.СНиП 2.06.08-87 "Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений".

5. СНиП 2.03.01-89 * "Бетонные и железобетонные конструкции". ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Зуевская Н.В. - доцент, доктор технических наук, иивУБка^иа, Стовпник С.М. - инженер, Денисова Л.В. - аспиринт,

НТУУ «КПИ», Украина, кафедра геостроительства и горных технологий.