ТОННЕЛЬ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУХА В ЕГО ВНУТРЕННЕЙ ЧАСТИ
TUNNEL WITH AIR TEMPERATURE IN ITS INNER PART NEGATIVE IN WINTER PERIOD

Техническое решение относится к области строительства подземных сооружений, эксплуатируемых в различные сезоны года.
Наиболее близким из известных является тоннель, образованный внутренней центральной частью и переходными к ней участками, во внутренней части которого в зимний период наблюдается отрицательная температура, близкая к установившейся на открытой дневной поверхности. При этом внутренняя центральная часть и переходные к ней участки тоннеля, образованные железобетонными стенами, днищами, несущими дорожное полотно и перекрытиями, не имеют деформационных швов в виде разрывов монолитного железобетонного тела элементов тоннеля за счет усиленного продольного армирования, которое, по расчету, должно препятствовать образованию глубоких трещин и обеспечить требуемую герметизацию бетонных элементов тоннеля (В.И. Кудряшов, Н.А. Тарбаев, И.Е. Колюшев, С.В. Гильбурд, О.Г. Скорик, Н.Б. Моисеев, Строительство тоннеля под каналом имени Москвы, журнал «Метро и тоннели» №2, 2001 г.).
Однако, такая конструкция тоннеля, хотя и сдерживает образование крупных трещин, но не препятствует образованию мелких трещин, расположенных в непредсказуемом порядке, вследствие возникающих значительных напряжений в железобетонном теле, воспринимаемых арматурой и бетоном. В районе образования трещин образуются зоны бетона с пониженными прочностными характеристиками и с повышенной водопроницаемостью, что приводит к разрушению обделки тоннеля вследствие снижения прочности бетона и образования льда в трещинах в зимний период. Кроме того, возможно образование наледей на внутренних поверхностях тоннельной обделки из-за проникновения грунтовых вод через нарушенную гидроизоляцию тоннеля при отрицательных температурах внутри тоннеля. Все это резко усложняет эксплуатацию тоннеля и снижает его долговечность.
Решением этой технической проблемы является создание тоннеля, в котором предусматривались бы на стадии строительства организованные контролируемые трещины, не снижающие прочностных характеристик обделки, заполняемые водонепроницаемым составом, и обеспечивалось бы нахождение необходимых внутренних поверхностей обделки тоннеля круглый год, в том числе и в зимнее время, в зоне положительных температур.
Технический результат, достигаемый при решении данной проблемы, состоит в повышении долговечности и безопасной эксплуатации тоннеля путем организации в бетонных, армированных по расчету, элементах конструкции тоннеля не снижающих их несущую способность трещин, при наличии терморегулирующего покрытия и гидроизоляции с водоотводящим слоем.
Достигается это тем, что тоннель с отрицательной в зимний период температурой воздуха в его внутренней части содержит по его длине два переходных, предпочтительно открытых сверху, участка и расположенный между ними, предпочтительно имеющий перекрытие центральный участок, обделка которых выполнена из монолитного бетона, армированного по расчету и не имеет деформационных швов в виде разрывов монолитного тела тоннеля и содержит лотковую плиту, стены и, предпочтительно плиту перекрытия, которые выполнены с заполненными герметизирующим составом, предпочтительно при пониженной относительно средней температуре окружающей среды, организованными трещинами, расположенными по всему поперечному монолитному, армированному по расчету, бетонному сечению в местах целенаправленного расчетного ослабления бетонного, армированного по расчету, сечения, при этом, по элементам поперечного сечения переходных и центрального участков размещено терморегулирующее покрытие, предпочтительно расположенное непосредственно на водоотводящем слое на всем его протяжении, а водоотводящий слой имеет водоотводные трубопроводы. Кроме того, в нижней части лотковой плиты могут быть выполнены утолщения, в которых расположены водоотводные трубопроводы, которые связаны каналами с водоотводящим слоем, который расположен непосредственно с внутренней стороны обделки, а с ним с внутренней стороны контактирует терморегулирующее покрытие, состоящее из пассивной теплоизоляции, предпочтительно содержащей элементы активного теплового действия.
Раскрытие сущности изобретения и возможность получения технического результата проиллюстрированы на схемах тоннеля:
Фиг. 1 - Сечение по продольной оси тоннеля: техническое решение тоннеля без деформационных швов в виде разрывов монолитного тела тоннеля;
Фиг. 2 - Поперечное сечение центрального участка тоннеля в случае наличия перекрытия, сечение А-А на фиг. 1;
Фиг. 3 - Поперечное сечение переходного участка тоннеля, сечение Б-Б на фиг. 1;
Фиг. 4 - Поперечное сечение переходного участка тоннеля, сечение Б-Б на фиг. 1, вариант, когда уровень грунтовых вод ниже водоотводных трубопроводов;
Фиг. 5 - Поперечное сечение переходного участка тоннеля, сечение В-В на фиг. 1, вариант, когда выше уровня грунтовых вод стены тоннеля выполнены не из монолитного материала;
Фиг. 6 - Поперечное сечение центрального участка тоннеля при наличии перекрытия, опирающегося на стены через опорные части по мостовому типу, сечение Г-Г на фиг. 1;
Фиг. 7 - Характеристика температурного режима в лотковой части тоннеля:
а -  схема для проведения теплофизического  лотковой части тоннеля, сечение Д-Д на фиг. 2;
б - эпюра распределения температур по глубине в лотковой части тоннеля в момент максимального промерзания;
Фиг. 8 - Характеристика температурного режима в перекрытии тоннеля:
а -  схема для проведения теплофизического  перекрытия тоннеля, сечение Е-Е на фиг. 2;
б - эпюра распределения температур по толщине перекрытия в момент максимального промерзания;
Фиг. 9 - Характеристика температурного режима стены тоннеля:
а -  схема для проведения теплофизического  стены тоннеля, сечение Ж-Ж на фиг. 2;
б - эпюра распределения температур по толщине стены и прилегающего грунта в момент максимального промерзания;
Фиг. 10 - Требуемое положение нулевой изотермы в зоне верхней части стены при открытом сечении в момент максимального промерзания.
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, как правило, 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 имеет в перекрытии отверстия естественной вентиляции, либо продувается естественным или принудительным способом. Тоннель содержит бетонную, армированную по расчету обделку 3, защищенную гидроизоляцией 4, и не имеет по длине деформационных швов 5 в виде разрывов монолитного тела тоннеля. Полотно проезжей (прохожей) части в подземной 6 части переходит в надземную 7 часть. Вместо деформационных швов в виде разрывов монолитного тела тоннеля 8 введены организованные трещины 8. Тоннель выполнен с терморегулирующим покрытием 9, водоотводящим слоем 10 с водоотводными трубопроводами и слоем теплоизоляции 11. Обделка 3 выполнена из бетона, армированного по расчету, и содержит лотковую плиту 12, стены 13 и плиту 14 перекрытия.
По всему поперечному сечению расположен водоотводящий слой 10. Для отвода воды в нижней части лотковой плиты 12 могут быть 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) и с ним со стороны внутренней полости 18 контактирует терморегулирующее покрытие 9. Терморегулирующее покрытие 9 может состоять из пассивной теплоизоляции (например, базальтовое волокно), 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. Между дневной поверхностью грунта 19 (УП) и верхом тоннеля 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. При небольшой общей глубине расположения полотна 6 дороги теплоизоляция 11 расположена только с внешней стороны тоннеля и отделена от терморегулирующего слоя 9 разделителем 22. Для обеспечения возможности дополнительного прогрева обустроены нагревательные элементы 23. В том случае, если уровень 24 грунтовых вод (УГВ) ниже водоотводных трубопроводов 16, то лотковая часть может быть расположена непосредственно на грунте 25. На переходных открытых сверху участках тоннеля устойчивость стенок, в соответствии с расчетами может обеспечиваться распорками 26. Когда уровень 24 грунтовых вод (УГВ) ниже уровня 19 дневной поверхности (УП), то верхняя часть обделки может быть выполнена из отличного от бетона материала, например из гофрированного металла 27 с вертикальной ориентацией гофров. Когда толщины грунта между перекрытием и дневной поверхностью 19 грунта не хватает для обеспечения необходимого температурного режима обделки тоннеля, то перекрытие может быть осуществлено  строением мостового типа 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. 7,а - сверху щебень полотна дороги 6, далее терморегулирующее покрытие 9, водоотводящий слой 10, плита из армированного, по расчету бетона 12 и грунт 25 основания. В холодный период года всегда температура в зоне водоотводящего слоя 10 должна быть положительной за счет соответствующей мощности 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) с другой. Эпюра 30 распределения температур по глубине в самый неблагоприятный момент приведена на фиг. 7, б. Точка М перехода из отрицательной в положительную часть эпюры расположена в пределах терморегулирующего покрытия 9. Одномерный процесс теплопередачи в перекрытии происходит в расчетной зоне, которую можно представить колонкой на фиг. 8, а. В зимний период охлаждение происходит как сверху, так и снизу. Здесь также должно быть обеспечено, чтобы в пределах водоотводящего слоя круглый год была положительная температура. Это достигается, с одной стороны, терморегулирующим слоем 9, а с другой - запасом тепла, аккумулированным в летний период в перекрытии 14 и в вышележащем слое грунта 25. В связи с изложенным, данная конструкция возможна при определенной минимальной толщине этого слоя 25. На фиг. 8, б 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 на фиг. 9, а и 9, б. Он качественно аналогичен процессу теплопередачи в лотковой части (см. фиг. 7, а и 7, б). 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. 10. Увеличение теплоизоляции может оказаться нерациональным. В этом случае терморегулирующее покрытие 9 может быть снабжено греющим кабелем 23, который может включаться в экстремальные моменты времени. Водонепроницаемость монолитной обделки, кроме внешней гидроизоляции, обеспечена тем, что в ее конструкции предусмотрены организованные трещины, которые образуют в специально ослабленных местах поперечного сечения по длине тоннеля и заполняют водонепроницаемым составом.
Тоннель с отрицательной в зимний период температурой в его внутренней части сооружается следующим образом. При твердении бетонной смеси происходит выделение большого количества тепла, и бетонная монолитная обделка при изготовлении разогревается приблизительно до 60°С. При остывании обделка по длине должна сократиться, но окружающий грунт не позволяет проявиться свободным деформациям и возникают напряжения, значительно превышающие предел прочности бетона на растяжение, что приводит к образованию не организованных не контролируемых трещин. Трещины возникают беспорядочные и на небольшом расстоянии друг от друга, что по существу разрушает структуру бетона и резко снижает его долговечность. Для предотвращения этого на  расчетном расстоянии по длине тоннеля его поперечное сечение ослабляется, в результате трещины сразу формируются в ослабленных расчетных местах и по мере остывания бетона увеличиваются в размерах. Остальной массив бетона  без трещин. До того момента, когда образованная трещина раскрыта полностью, напряжения в бетоне в районе трещины равны нулю. После заполнения трещины герметизирующим составом, дальнейшее понижение температуры обделки будет приводить к возникновению и росту растягивающих напряжений в районе трещины, и следовательно, в теле герметизирующего состава. Чтобы напряжения не превысили допустимых значений по прочности состава и, следовательно, чтобы не образовались новые трещины, заполнение (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 при повышении относительно самой низкой температуры, и они будут сжимающие. Однако ожидание зимнего периода и самой низкой температуры увеличивает сроки строительства тоннеля, поэтому замыкание обделки возможно производить и при положительной температуре. Но тогда будут большие растягивающие напряжения в зимний период и возможное появление трещин. 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 19 в глубинные слои, и за счет дождевых вод, и за счет техногенных вод. Вода, поступающая из грунта через возможные повреждения гидроизоляции, попадающая в трещины в поврежденном бетоне обделки или в поврежденные «классические» деформационные швы (в виде разрывов тела тоннеля) при возникновении отрицательной температуры в бетоне превращается в лед и разрушает бетон. Для устранения этих недостатков в поперечном сечении тоннеля предусмотрено терморегулирующее покрытие 9, которое рассчитывается таким образом, чтобы обделка и ее внутренняя поверхность круглый год имела положительную температуру. Для устранения отрицательного эффекта протечек между терморегулирующим покрытием 9 и обделкой устроен водоотводящий слой 10, который позволяет собирать воду с любой части поперечного сечения тоннеля и передавать  в водоотводные трубопроводы 16 через каналы 17.
Эффективность предлагаемого технического решения определяется, прежде всего, достижением основной цели - повышением долговечности и надежности тоннеля. Одновременно получен и другой результат - существенное улучшение условий эксплуатации. Все это достигается за счет отсутствия «классических» деформационных швов в виде разрывов тела тоннеля, которые являются наиболее «уязвимыми» местами в конструкции тоннеля, отсутствия трещинообразования в бетоне, снижения требований по классу морозостойкости бетона, т.к. круглый год в бетоне обделки положительная температура, а работающий в этих условиях в зимний период водоотвод обеспечивает отсутствие наледей.