12. ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ОБДЕЛОК СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

Abstract

Аннотация. В статье рассматриваются вопросы возникновения дефектов и повреждений в железобетонных подземных конструкциях, в частности обделках тоннелей метрополитена мелкого заложения во время эксплуатации.

Приведены основные критерии, которые могут привести к увеличению деформации и снижению прочности тоннельных конструкций при взаимодействии с окружающим грунтом.

Ключевые слова: тоннель, сооружение, типовая круговая обделка, тюбинг, грунт.

Abstract. In the article is discussed the issues of the occurrence of defects and damages in reinforced concrete underground structures, in particular the lining of shallow subway tunnels during operation.

The main criteria are given that can lead to an increase in deformation and a decrease in the strength of tunnel structures when interacting with the surrounding soil

Keywords: tunnel, structure, typical circular lining, tubing, soil.

Введение. Как правило, при строительстве метрополитенов в условиях плотной городской застройки, предпочтение отдают линиям глубокого заложения, которые прокладываются без вскрытия земной поверхности. Однако это в свою очередь обуславливает высокую стоимость и большие трудозатраты на строительство, и последующую эксплуатацию метрополитенов. Стремление к снижению стоимости и трудозатрат при строительстве привело к созданию новых, более экономичных и ресурсосберегающих технологий, к таким, как прокладка линий метрополитена на мелком (глубиной до 15 м от поверхности) заложении. Опыт тоннелестроения показывает, что при эксплуатации объектов уже на начальных стадиях выявляются некоторые дефекты и повреждения, причинами которых являются нарушения технологии производства строительно-монтажных работ, применение качественных строительных материалов, конструкций и изделий отступления от проекта, допущенные в процессе производства работ, а также неудовлетворительная эксплуатация объектов [1-5].

Важным аспектом является при эксплуатации тоннеля учет изменчивости естественных и техногенно-горно-геологических условий и факторов. Каждый элемент тоннельных сооружений имеет свои материальные свойства и резкое изменение этих свойств в худшую сторону может имеет негативную рель в обеспечении безопасности сооружений.

Материалы и методы. Тоннельная обделка в связи с этими изменениями от воздействия статических и динамических сил деформируется, меняет свою первоначальную форму, а это приводит к снижению ее прочности и несущей способности. Естественно, первой задачей является оценка этого состояния через определения напряженно-деформированного состояния, и установить степени безопасного эксплуатации тоннеля. Все это показывает, что разработка методики расчета определения прочности тоннелей метрополитена учитывающие реальные свойства взаимодействия с грунтом  является актуальной задачей.

Основными подземными сооружениями тоннелей метрополитена являются тоннели различного очертания и конфигураций, где по своей специфике и конструктивным особенностям существенно отличаются от наземных сооружений [3-7]. Обзор литературы и анализ работ посвященным проектированию и строительству тоннелей показал, что наиболее широко распространенным классом являются железобетонные подковообразные, круглые сборные и монолитные тоннельные обделки.

а)

   

б)

   

в)

   

Рис. 1. Наблюдаемые дефекты и повреждения на тоннелях станций метрополитена:
а) односводчатого типа, б) рамного типа, в) рамного типа со сводом.

Проведенный анализ состояния элементов тоннельных сооружений, показал наличие повреждений не только силового (трещины, сколы и т. д.), но и коррозионного характера (шелушение бетона, растрескивание и т. д.).

Ухудшение свойств материалов во времени носит, как правило, необратимый характер и зависит от условий деформирования, характера воздействия среды, ее состава и других факторов (рис.1).

Существующая методика расчета тоннелей опирается в основном на нормативные методологии 50-60 годов давности, где используются сильно упрощенные особенности поведения материалов и практически без учета воздействия грунтовой среды. Не учитывается реальные условия эксплуатации, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние и долговечность тоннелей [4,8].

Результаты и их обсуждение. В реальных же условиях конструкции тоннелей сопротивляются рабочим (а не предельным) нагрузкам. Для построения расчетных моделей конструкций тоннелей применительно к реальным условиям эксплуатации необходимо учитывать процессы взаимодействия рассчитываемых конструкций как с нагрузками, так с грунтовыми средами. При этом, также следует корректно описывать и характер напряженно-деформированного состояния рассчитываемых конструкций, и механические свойства используемых материалов.

Рис.2. Типы конструкций станций (сечение), где наклонные линии указывают места, которые сильно повреждены

Фактически предаварийные ситуации напрямую связаны с возникающими процессами внутри материалов конструкции и окружающей среды, на местах их соприкосновения, а также с действиями, которые, в свою очередь, приводят к увеличению деформации и ускоренному снижению прочности, и резкому ухудшению экологических условий, приводящих к появлению предварительного экстремального состояния.

На рис.2 приведены схема трех типов станций метро, ​​где наклонные линии указывают места, где происходят повреждения бетона, что характерно для всех показанных станций мелкого заложения. Это означает, что в зоне контакта станции и почвы могут быть больше всего условия нагрузки до такой степени, что они будут постепенно ухудшать свойства материала гидроизоляционных покрытий, приложенных к станциям, с его внешней стороны. Как известно, если гидроизоляционный слой конструкции не функционирует нормально, то процессы повреждения начинаются с той поверхности, где их нет, что приведет к локальному повреждению железобетонного материала (рис.3). Более того, в таких условиях конструкции постоянно подвергаются эксплуатационным нагрузкам во внутренней части при движении поездов метрополитена. А на земной поверхности есть магистраль, которая также подвержена переменным нагрузкам.

Рис. 3 Упрощенная картина, где показано место возникновения сдвиговой силы на поверхности контакта конструкции и грунта

Заключение. Все это существенно повышает роль вычислительного эксперимента, без которого невозможно исследовать и решить поставленную задачу. В ходе реализации поставленной задачи требуются решение следующих вопросов:

- правильности сформулированных краевых задач, полученных при использовании предложенных соотношений между компонентами напряжений и деформаций, между компонентами деформаций и смещений, в условиях соединения несущих элементов железобетонных конструкций с тонким изолирующим материалом, а также в условиях контакта рассматриваемых тел с окружающим грунтом;

- сходимости и устойчивости предлагаемых вычислительных процессов;

- реализуемость предлагаемых алгоритмов на компьютере в реальном режиме времени, который напрямую зависит от скорости сходимости используемого метода.

При положительном решении этих вопросов есть возможность:

- обеспечение прочности и жесткости рассматриваемых конструкций в пределах расчетных нагрузок и режимов эксплуатации с моделированием состояния их материалов до разрушения;

- решить задачу для тоннелей любой формы, позволяющих учитывать сложные контактные условия взаимодействия для тел, обладающих сильно неоднородными свойствами;

- установления диапазона эффективной применимости используемых моделей, вычислительных алгоритмов, которые играют основную роль при анализе существующих объектов для дальнейшей выдачи рекомендаций по сохранению их жизнеспособности;

 - создание проектных решений для новых объектов на основе замены некоторых существующих материалов прогрессивными микро материалами (композитными) до возведения конструкций, что дает огромную экономию государственного бюджета.

Список литературы

1. Абрамсон В.М., Закиров A.3.,Муравин П.И. Автодорожный тоннель на трассе Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова // Метро и тоннели. - 2003. - № 3. - С. 22-25.
2. Никольский Б.В. Тоннели третьего кольца - крупнейшие подземные сооружения Москвы // Метро и тоннели. - 2001. - № 2. - С. 2-5.
3. Черняков А.В. Опыт строительства обхода Лефортово по тоннельно-эстакадному варианту // Метро и тоннели. - 2003. - № 5. - С. 10-15.
4. Быкова, Н.М. Протяженные транспортные сооружения на активных геоструктурах. Технология системного подхода / Н.М.  Быкова. –  Новосибирск: Наука, 2008. – 212 с. 
5. Miralimov, M. Х., & Normurodov, S. U. (2019). CONSTRUCTION FEATURES OF TRANSPORT TUNNELS IN THE MOUNTAIN AREAS OF UZBEKISTAN. Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers, 15(3), 26-35.
6. Miralimov, M. X., & Normurodov, S. U. (2022). BIR IZLI METROPOLITEN TONNEL QOPLAMASI HISOBI. PEDAGOGS jurnali, 2(2), 92-94.
7. Нормуродов, Ш. У. (2022). ТОННЕЛАРНИ ҚУРИШ БИЛАН БОҒЛИҚ ДЕФОРМАЦИОН ЖАРАЁНЛАРНИ АНИҚЛАШ МАСАЛАЛАРИ. Academic research in educational sciences, 3(10), 447-460.
8. Miralimov, M., Normurodov, S., Akhmadjonov, M., & Karshiboev, A. (2021). Numerical approach for structural analysis of Metro tunnel station. In E3S Web of Conferences (Vol. 264, p. 02054). EDP Sciences.