Возведение и статическая работа монолитной тоннельной обделки из обжатого бетона, сооружаемой за щитом непрерывным методом

Увеличение объемов строительства тоннелей и метрополитенов в условиях урбанизации и роста крупных городов требует наращивания научно-технического потенциала в области подземного строительства и принципиально новых инженерных решений.

Как известно, сборные обделки изначально обладают рядом существенных недостатков по сравнению с монолитными обделками: стыки элементов в кольце обделки неравнопрочны их телутребуют больших усилий и средств обеспечения водонепроницаемости стыков и соединенийсборную обделку любого типа, включая чугуннуюнагнетание цементно-песчаного раствора за обделку является дополнительной дорогостоящей операциейизготовление элементов сборных обделок требует наличия мощной индустриальной базы. Непрерывный по своей сути процесс резания породы механизированным щитом неизбежно прерывается на время монтажа сборной обделки, что неблагоприятно сказывается на устойчивости забоя, особенно при проходке в слабых водонасыщенных грунтах, увеличивает энергетические затраты, повышает износ привода рабочего органа щита.

В то же время существующие способы возведения монолитных тоннельных обделок настолько далеки от совершенства, что, в конечном счете, предпочтение в большинстве случаев отдают сборным обделкам, несмотря на отмеченные их недостатки.

Скорость сооружения перегонного тоннеля метрополитена с монолитно — прессованной обделкой составляет всего 75 м в месяц, что как минимум в 3 раза меньше скорости, достигаемой при сборной обделке.

Заявленный в России новый способ возведения монолитных бетонных обделок за щитом (патент 2 088 761, автор Гринев A.A.), открывает перспективу для эффективного применения монолитных обделок в тоннелестроении.

Принципиально новым в заявленном способе является принцип непрерывного сооружения тоннеля. Причем непрерывно производится не только проходка и возведение обделки, но и устройство гибкой наружной гидроизоляции тоннеля.

Заявлен ряд новых технических решений применительно к новой технологии, например, самодвижущаяся динамическая опалубка. Обделка тоннеля, сооружаемого по новому способу, является бесшовной и водонепроницаемой. Способ исключает перепрессовку бетонной смеси и осадки земной поверхности при проходке.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется увеличением масштабов тоннельного строительства и необходимостью создания нового поколения рациональных и экономичных конструкций тоннельных обделок, соответствующих современным технологиям.

Современные технологии сооружения тоннелей приближаются к своему пределу совершенствования, которым является применение сборной железобетонной обделки как наиболее массового типа тоннельной обделки. Однако они обладают рядом недостатков, поэтому развитие нового способа возведения тоннельных обделок из монолитного обжатого бетона весьма актуально на сегодняшний день.

Цель и задачи диссертации. Целью работы является научно-техническое обоснование создания и практической реализации внедрения монолитной тоннельной обделки из обжатого бетона, сооружаемой за щитом непрерывным методом. При этом необходимо решить следующие задачи:

— Обобщить информацию по существующим техническим решениям сооружения тоннелей с МПБО и обосновать общую технологическую схему и основные узлы технологического комплекса, обеспечивающие непрерывную проходку с процессом обжатия бетонной смеси без перепрессовки, при достижении водонепроницаемости обделки;

— Разработать поточную организацию нового технологического процесса непрерывной проходки в увязке всех основных операций;

— Исследовать и выбрать эффективный способ нанесения покрытий обеспечивающий существенное снижение адгезии к бетону;

— Провести поиск и разработать методическую основу процесса сварки гибкой полимерной изоляции обделки, гарантирующую ее водонепроницаемость в стыках;

— Исследовать взаимодействие щита с возводимой по непрерывной технологии обделкой с определением показателей ее напряженно деформированного состояния;

— Исследовать связи физико-механических свойств бетонной смеси с параметрами ее реологической модели;

— Исследовать распределение давления в бетонной смеси, обжатой щитовыми домкратами, с установлением рациональных технологических параметров;

— Проанализировать влияние глубины заложения на характер напряженно-деформированного состояния обделки.

Методика исследований. Учитывая сложность и ограниченность результатов ранее проведенных исследований, для решения поставленных задач был применен комплексный подход, включающий проведение: анализа существующих способов возведения монолитно-прессованных тоннельных обделокисследования взаимодействия щита с возводимой обделкой при помощи итерационной процедуры расчетасвязи физико-механических свойств бетонной смеси с параметрами ее реологической моделиисследование распределения давления в бетонной смеси, обжатой щитовыми домкратамианализа влияния глубины заложения на характер напряженно-деформированного состояния обделки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработан метод сварки гибкой гидроизоляции установкой для газодинамического нанесения покрытий, предложенный впервые для тоннельных обделок;

• создано покрытие формующей опалубки щитового комплекса, являющееся в отличие от существующих антикоррозионным и имеющим минимальную адгезию и истирание;

• разработан метод расчета давления при новом подходе к решению задачи в непрерывно возводимой обделке с использованием реологической модели бетонной смеси;

• предложено аналитическое решение дифференциального уравнения реологической модели Кельвина-Фойгта в новой постановке граничных условий при линейно-убывающем давлении.

Практическая ценность работы заключается в возможности применения монолитной тоннельной обделки из обжатого бетона с гибкой наружной гидроизоляцией при строительстве тоннелей и метрополитенов мелкого заложения в обводненных грунтах по непрерывной технологии за щитом, обеспечивающей более вьюокую производительность проходки, гарантированную водонепроницаемость и снижение стоимости.

Достоверность научных положений, выводов, экспериментов и рекомендаций обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов и исследований, а таюке удовлетворительными результатами традиционных расчетов и лабораторных экспериментов.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты, изложенные в работе, неоднократно использованы в учебном процессе на кафедре «Тоннели и метрополитены» МИИТа (1997;2001 гг). Научные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на заседаниях кафедр «Тоннели и метрополитены» и «САПР транспортных конструкций и сооружений», семинаре кафедры «Строительная механика» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) /1998;2001 г. г/, на научно-техническом совете НТЦ Мосинжстроя, а также на совещаниях Службы тоннельных сооружений Московского метрополитена /19 982 001 гг./. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликованы 4 научные статьи, в том числе 2 — в российских международных изданиях.

Структура и объем работы: диссертационная работа включает Введение, 5 глав, выводы и предложения, список литературы, приложения.

Общие выводы.

1. На основе анализа существующих способов возведения монолитно-прессованных бетонных тоннельных обделок и их основных недостатков, обоснована целесообразность применения обделки из монолитного обжатого бетона с гибкой наружной гидроизоляцией при строительстве тоннелей и метрополитенов по непрерывной технологии за щитом. Показана перспективность применения новой технологии возведения тоннельных обделок эффективным способом сооружения, исключающим нарушение дневной поверхности и обеспечивающим высокое качество тоннельных конструкций при высоких темпах строительства.

2. Разработана поточная организация нового технологического процесса возведения монолитной обжатой обделки непрерывным способом и проработаны технические решения по технологическому комплексу для возведения тоннельной обделки из монолитного обжатого бетона, включая систему из формующей и упорно-поддерживающей опалубок, бетоносмесительные и бетоноукладочные узлы, устройства для создания гибкого гидроизолирующего покрытия на внешней поверхности тоннельной обделки. Предложена схема циркуляции бетонной смеси за опалубкой с целью равномерного ее обжатия автоматической системой управления бетонным узлом, и установлена необходимость системы регулирования производительности бетононасосов и давления бетонной смеси.

3. Теоретически исследовано взаимодействие щита с возводимой обделкой. Поставлена и аналитически разрешена задача о распределении давления в обжатой бетонной смеси в реологической постановке с учетом пограничного трения применительно к возведению монолитной бетонной обделки непрерывным способом за щитом. Составлена итерационная процедура расчета при постепенно убывающем давления обжатия.

4. Разработана методика расчета технологических параметров возведения обделки, позволяющая определить: характер распределения давления в бетонной смеси между ее твердой частью (скелетом) и перовой водой затворенияпродолжительность уплотнения бетонной смесидлину вакуум-камерыдавление бетонной смеси на опалубкувеличину сопротивления движению щита от защемления его обжимаемой смесью, в том числе на кривых участках трассы.

5. В результате проведенного большого числа расчетов получены данные, которые убедительно показали, что способ непрерывного сооружения тоннеля с монолитной обделкой из обжатого бетона, предполагающий раннюю распалубку и нагружение бетона, способствует формированию благоприятного напряженно-деформированного состояния обделки, характеризующегося в ней значительными снижениями растягивающих напряжений.

6. Исследован и выбран новый эффективный способ нанесения антифрикционных покрытий на поверхности узлов технологического комплекса при помощи установки для газодинамического нанесения покрытий. Лабораторно изучены различные типы покрытий, имеющие минимальную адгезию к бетону и являющиеся антикоррозионными, на основании исследований предложено покрытие «алюминий-фторопласт», рекомендуемое для нанесения его на поверхности поддерживающей и упорно-поддерживающей опалубок.

7. Проведен обзор современных видов гидроизоляции, на основании которого выбран тип гидроизоляции для применения его в разработанном комплексе для возведения тоннельной обделки. Рассмотрены современные способы сварки пленочной гидроизоляции, на основании которых предложен и отработан ранее нигде не применяемый, новый перспективный способ сварки гидроизоляции.

8. Исследованы сварные швы выбранного типа пленочной гидроизоляции на водонепроницаемость, сваренные новым способом при помощи установки для газодинамического нанесения покрытий. Запроектирован и создан прибор для проверки сварных швов пленочной гидроизоляции на водонепроницаемость, а также проведены лабораторные исследования швов пленочной гидроизоляции на разрыв, сваренных новым способом.

9. Проведенные исследования создают научно-техническую основу для разработки технико-экономического обоснования, технического и рабочего проектов, изготовления опытного образца комплекса по сооружению монолитной обжатой бетонной обделки непрерывным способом и проведения производственных испытаний в натурных условиях. Согласно ранее выполненным Изьюканиям «Ассодстройметро», МИИТом и Омской городской администрацией наиболее целесообразные условия для испытания предлагаемого комплекса выявлены на одном из перегонов проектируемого строительства метрополитена г. Омска.