Эксплуатация транспортных тоннелей
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Транспортное строительство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 160
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0427-3
Артикул: 744527.01.99
Раскрыты основные вопросы эксплуатации транспортных тоннелей. Изложены основные факторы, влияющие на безопасность эксплуатации подземных сооружений; описаны цели, задачи и этапы обследования технического состояния объекта. Рассмотрены системы автоматизированного мониторинга, используемые при содержании тоннелей.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.00.00 «Техника и технологии строительства».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ Учебное пособие для студентов направления 08.00.00 «Техника и технологии строительства» Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020
УДК 624.195(075) ББК 39.112я73 С90 Р е ц е н з е н т ы : заведующий кафедрой мостов и тоннелей Российского университета транспорта (МИИТ) доктор технических наук, профессор А. А. Пискунов; кафедра мостов и транспортных тоннелей Уральского государственного университета путей сообщения Сурнина, Е. К. С90 Эксплуатация транспортных тоннелей : учебное пособие / Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 160 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0427-3 Раскрыты основные вопросы эксплуатации транспортных тоннелей. Изложены основные факторы, влияющие на безопасность эксплуатации подземных сооружений; описаны цели, задачи и этапы обследования технического состояния объекта. Рассмотрены системы автоматизированного мониторинга, используемые при содержании тоннелей. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.00.00 «Техника и технологии строительства». УДК 624.195(075) ББК 39.112я73 ISBN 978-5-9729-0427-3 Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников, 2020 Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 2
ПРЕДИСЛОВИЕ Транспортные тоннели относятся к наиболее сложным и ответственным сооружениям на автомобильных и железных дорогах. Срок их службы составляет более 100 лет, поэтому обеспечение их безаварийной работы в процессе эксплуатации является важной задачей. В течение всего срока службы тоннели должны удовлетворять не только требованиям бесперебойности и безопасности движения транспортных средств, но и требованиям экономичности и наименьшей трудоемкости содержания их несущих конструкций и инженернотехнических систем. Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных с эксплуатацией транспортных тоннелей. В нем рассмотрены состав, организация и планирование работ, необходимых для безопасной эксплуатации подземных сооружений; сформулированы задачи и определена структура содержания объектов; отражены новые достижения в области эксплуатации транспортных тоннелей. 3
Глава 1. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ 1.1. Основные понятия Транспортным тоннелем называют инженерное сооружение, возведенное в толще грунтового массива, связанное выходами с поверхностью и предназначенное для пропуска транспортных средств. Транспортный тоннель является частью железнодорожной или автомобильной магистрали и, кроме основного сооружения, предназначенного для пропуска транспорта через препятствие, включает систему подземных и наземных объектов, которые обеспечивают его нормальное функционирование. Такой сложный комплекс сооружений, устройств и различного рода инженерных систем на участке транспортной магистрали называется тоннельным пересечением. Тоннельное пересечение (ТП) как система представляет собой многоуровневую структуру, каждый элемент которой имеет описание характеристик, функций и связей. Объекты тоннельного пересечения (строительные сооружения и инженерные системы) по функциональному назначению классифицируют следующим образом: x основные: тоннель, порталы, путь и проезжая часть, сбойки, ниши, камеры, тротуары, служебные проходы; x обеспечивающие: шахтные стволы, подходы, откосы, подпорные стенки, рампы, сервисные штольни; x инженерные системы: водоотводные, дренажные, энергоснабжения, вентиляции, освещения, электрооборудования, автоматики, сигнализации, связи; x содействующие: сооружения, здания, которые могут оказывать влияние на тоннель; сооружения и мероприятия по защите от опасных геологических процессов; противопожарная защита; охрана окружающей среды; специальные и прочие объекты. Тоннельное пересечение с протяженными железнодорожными тоннелями длиной более 3000 м и автодорожными тоннелями длиной более 1500 м, как правило, при современных требованиях безопасности проектируется в виде двух параллельных тоннелей, каждый из которых предназначен для движения 4
стадии п проектиро ования дл ля каждог го объект направле прогноз н о 15 лет. прогноз показыва ает, что и та составинтенсив- - ении. На а срок до превысит т 10 000 илей в су утки на п вижения, , И если автомоби вижения момент, когда эта а интенси ивность б будет пре вышена, полосу д должен ф функцио- ь тоннель ь с двумя я стволам ми и одно осторонни им движе ением по каждому у в одном ляется п ность дв то в тот нировать стволу. Тон ннели дли иной боле ее 600 м должны иметь ил ли дополн е эвакуа- е выходы ы (сбойки и) (рис. 1 1.1) в ря ядом расп положенн нительны ные тонн нели, или и и, имеющи ие выход ы на пове , или в др ругие безо опасные зоны, оте от тонн неля прот тивопожар ерхность, рными пр устраиваю ют допол- - уационны ые) выход ды, то ра реградами асстояние и. Если у е между ними не е должно о ые (эваку ать 300 м м. Кроме т редней ча сти трасс сы устраи нкты ава- остановки и, связанн того, в ср ные с пов верхность ью вертик кальными ивают пун и или нак клонными и ционные штольни деленны нительны превыша рийной о ходами. Ри ис. 1.1. Эв вакуацион нная сбой йка между у тоннелям ми и строите ельстве п протяжен нных тран нспортны ых тоннел лей част то между При араллельн ными тон ннелями располаг гают серв висный т тоннель м меньшего у о двумя п диаметра а. Назнач ение серв висного т служиван тоннеля: ного тонн его экспл луатации; учае постве штол ния основн льни безоп пасности неля при (для эвак куации лю юдей в сл для обс в качес жара ил ли другой й чрезвыч чайной си итуации); енажных целей; змещения я коммуни икаций си истем жиз знеобеспе ечения то для дре для раз Тако ое решен ние было реализов вано, нап ример, пр ри строит тельстве х охранным м компле ексом «С еребряно оборское оннеля. больших лесничей под пр оединяющ риродно-о щих центр ы с шоссе е Москва - Рига (Б Было по- - три тонн еля: два т р Москвы транспорт тных диа аметром ( (в свету) Балтия). 12,35 м и и тоннель ь й) диамет тром 6 м между т транспорт тными то ннелями. . ивания (се ностью по ервисный остроенны ых тонне яется то, что в ни их предус смотрено о тоннелей ство», со строено обслужи Особенн размеще ние двух систем г городског елей явля го транспо орта - тр ехполосн ное однос тороннее е 5
ие автотра м направл лении по верхнему у ярусу и и поездов в литена в в каждом ярусе. Эт то крупн нейшее по одземное транспор ртное со- ие в Росс ропе - об бщая про отяженнос тоннелей анспорта нижнем ии и Евр 0 км. На рис. 1.2 представл лено поп еречное с сть постр сечение С роенных Серебряно оборских й х движени метропол оружени около 7,0 тоннелей й, построе енных щи итовым сп пособом. Рис. 1. .2. Попере ечное сече ебрянобор рских тон ннелей: она автотр ение Сере ранспортн ного движе на движени ия поездов ения; литена; 1 - з 2 - зон 3 - серви исный тонн нель; 4 - п в метропол поперечна ая сбойка; 5 - венти иляционны ый короб Осн ооружени ием любо ого тоннел льного пе ересечени ия являет ся транс- портный новным со й тоннель. . портного о тоннеля - это его о способЭкс сплуатаци ионная н надежнос сть транс на протя яжении дл лительног го времен ни (до 10 00-150 ле ет) заданохранять при опре х условия ях свои те - - - ыполнять кции и со ки в уста ановленны ых преде нспортны ый тоннел ие харакде всего, , ить безопа асный и еделенных елах. Тра беспереб бойный пр ропуск гр и пассаобеспечи о транспо орта с зад данными параметр рами подв вижного или типа- - ехнически ль, прежд рузового состава и мобилей и сохра опускную ю способ бность, у установле нную на а тоннельн ого перес анить пр сечения. ность вы ные фун теристик должен жирского ми авто участке т Над является я комплек ксным св которое е включае ет в себя олговечно ость, ремо онтоприг войством, годность и и сохраня яемость ( (в случае я е дежность ность, до ации тонн неля). Дл ля обеспе адежност портных тоннелей й я широки опросов в ечения на в процесс се проект ти трансп тирования я, в перио од строи- безотказн консерва решается тельства а и послед ий круг во дующей эк ксплуатац ции объек кта. Осн новные по онятия, о определяю ющие сте ежности сооруже ения пень наде состояни ие объек- отоспосо обность ( работосп пособное состояни котором значени ия всех п параметр ов, харак ие) - это ктеризую ющих спо особность ь Раб та, при 6
выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативнотехнической или проектной документации. Неработоспособность - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической или проектной документации. Для сложных или протяженных объектов возможно деление неработоспособных состояний. При этом из множества неработоспособных состояний выделяют частично неработоспособные состояния, при которых объект способен частично выполнять требуемые функции. С терминами работоспособность и неработоспособность связаны следующие определения. Дефект - каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Критический отказ - отказ системы или ее элемента, тяжесть которого в пределах данного анализа признана недопустимой и требует принятия специальных мер по снижению вероятности данного отказа и/или возможного ущерба, связанного с его возникновением. Связь дефекта с работоспособностью элемента. По отношению к пороговым значениям определяющих параметров ([ОП] - для наступления отказа и [ПС] - для наступления предельного состояния) дефекты различают по видам соответствующего им технического состояния (ТС) элемента: x ОП < [ОП] - исправное техническое состояние. Дефекты не отражают- ся на работоспособности элементов и устраняются путем проведе- ния планово-предупредительного или текущего ремонта. Если ремонт проводится не вовремя, то снижаются показатели надежности и дан- ный элемент может быть переведен в разряд неработоспособных элементов. x [ОП] ОП [ПС] - неработоспособное (или ограниченно работоспособное) техническое состояние. В зависимости от стадии роста, размеров дефекта или других признаков его вида, скорости развития, возможности внезапного разрушения конструкций, зоны влияния применяют различные ремонтные работы. При достижении предельного технического состояния, когда ОП = [ПС], объект нуждается в капитальном ремонте или реконструкции. x ОП ! [ПС] - запредельное техническое состояние, временно допустимое при значительном снижении работоспособности и повышенных требованиях к эксплуатации и содержанию объекта. При этом состоянии может быть ограничена скорость движения транспорта, введено реверсивное движение по тоннелю или другие организационно-технические мероприятия, обеспечивающие допустимый риск. 7
1.2. Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность тоннелей Независимо от назначения тоннелей и места их расположения они все являются потенциально опасными объектами. Они строятся и эксплуатируются в сложных условиях постоянно меняющихся во времени геомеханических и геодинамических процессов в горном массиве, обусловленных сначала (перед началом строительства) естественными (природными) причинами, а затем (во время строительства и эксплуатации) - природными и техногенными причинами совместно. К постоянно действующим естественным факторам геомеханических и геодинамических процессов относятся, прежде всего, наличие разломов в земной коре и связанных с ними тектонически-напряженных зон, высокая сейсмичность региона, оползневые явления, гидростатика подземных вод, карстообразование и пр. Техногенные факторы с течением времени могут видоизменяться: если на стадии строительства на геомеханические и геодинамические процессы набольшее влияние оказывают горное давление и, соответственно, меняющееся напряженно-деформированное состояние горного массива, то со временем, после сооружения тоннеля и относительной стабилизации горного давления, основными становятся уже другие техногенные воздействия на горный массив и созданные в нем сооружения. Это, например, вибрационное сейсмическое воздействие на тоннель и горный массив проходящих поездов или автомашин, близкие техногенные взрывы на близлежащих карьерах или разрезах, гидродинамика и др. Основные факторы, определяющие условия работы конструкций и обустройств транспортного тоннеля и влияющие на его эксплуатационные качества, разделяют на четыре группы [31]. К первой группе относятся природно-климатические условия, ко второй - конструктивные характеристики, к третьей - отклонения от проектных решений в процессе строительства, к четвертой - эксплуатационный режим тоннеля. Природно-климатические условия (геологические, гидрогеологические и климатические условия, сейсмические воздействия) имеют первостепенное значение как на стадиях проектирования и строительства тоннеля, так и в процессе его эксплуатации. 1. Геологические условия определяют выбор типа конструкции и метода производства работ, глубину заложения тоннеля, положение трассы в плане и профиле. Правильная оценка геологических условий заложения тоннеля влияет не только на сроки окончания строительства и стоимость сооружения, но и условия его эксплуатации. Однако именно материалы инженерно-геологических изысканий имеют в большинстве случаев недостаточную степень надежности, и это негативно сказывается в процессе дальнейшей эксплуатации тоннеля. Важнейшей инженерно-геологической характеристикой участка тоннельного пересечения является его тектоническое строение (структура земной коры). Оно определяет степень трещиноватости и обводненности грунтового 8
массива, характер и величину начального поля напряжений, а в процессе эксплуатации тоннеля - характер силового взаимодействия, количественные показатели напряженно-деформированного состояния системы «обделка - грунтовый массив». Тектоническое строение позволяет составлять прогнозы возможных дефектов в обделке и водопритоков в тоннель. Большие осложнения в период эксплуатации доставляют зоны тектонических разломов и размывы. Воздействие таких нарушений иногда сказывается лишь через довольно продолжительное время после завершения строительства и проявляется в виде значительных деформаций обделок с возникновением продольных и поперечных трещин. Тектонические движения земной коры происходят и в настоящее время. Скорости современных вертикальных тектонических движений, выявленных на локальных участках в зонах активных разломов, могут достигать 40 мм/год и приводить к ощутимым деформациям подземных выработок [24]. Это также должно учитываться при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. При строительстве и эксплуатации тоннелей необходимо учитывать экзогенные геологические процессы: x склоновые процессы: о п о л з н и - медленные перемещения вниз по склонам различных по объему масс грунтов под действием силы тяжести (происходят по наклонной поверхности водоупора, по поверхности напластования на подмываемых или подрезанных склонах); о б в а л ы - быстрые перемещения различных по объему грунтов на крутых склонах; о с ы п и , к а м н е п а д ы (рис. 1.3) - перемещение по склонам продуктов выветривания горных пород (наблюдаются в горных областях на крутых склонах); с е л и - быстрые перемещения грязекаменных потоков по руслам рек, обладающие большой разрушительной слой (развиты в горных областях); x карстово-суффозионные явления возникают в результате выщелачивания растворимых в воде горных пород. В закарстованных породах можно наблюдать оседание кровли, внезапное разрушение обделки тоннеля. Особенно опасны карстовые пустоты, заполненные водой и образующие карстовые озера, из которых может произойти внезапный прорыв воды в тоннель. В связи с этим особое внимание уделяется тоннелям, расположенным в легко поддающихся выщелачиванию породах: гипсах, ангидритах, известковых и доломитовых породах; x просадки грунта - оседания грунта, которые вызываются разными причинами: суффозией, карстовыми процессами, замачиванием массовых грунтов и т.д.; x землетрясения нетектонические образуются при обрушении значительных по объему горных пород, обусловленном экзогенными процессами. 9
Они могут т вызыват ть сотряс сения инт тенсивнос стью до 6 6-7 балло ов на не- О бо ольшой п риогенны сы – тер рмокарст т. Это пр роцессы о оттаивани ия вечно- x кр мерзлых п площади. е процесс ород в ре оттаиван ния льда, ющего тре В езультате е этого п езультате породы т теряют не есущую заполняю способно ость и ст ещины. В тановятся я м ре ск клонны к обрушен нию. Рис. 1.3 3. Камнеп пад закры ыл вход в т тоннель В ра айонах с суровым м климато ом и веч чномерзлы ыми грун нтами пр ричинами и снижени ия эксплуа атационн ых качест тв тоннел ие морозн ного пуч чения гл ля являют линистых в на пор ртальных х тся: грунтов х; обделку эксплуати ируемого о тоннеля я ение горн аивании в ного давл вечномер ления на злых грун ние и пр рорыв под дземных оннель в случае с ерьезных х нтов; вод в то развити участках увеличе при отта оттаива поврежд дений обд делки. анализе п причин сн нижения п лей техни ического с я тоннеля я имо помн с течени показател ием врем мени могу состояния яться как к физико- еские хар нить, что рактерист тики грун ужающих ут изменя х тоннель ьную обд елку, так к ия статиче еской раб нтов, окру елки. Изв естны слу да в проц цессе эксля грунто боты обде овый масс сив подве ергался сд учаи, когд двигам ил дкам, вы- - ии тоннел еформаци ии обдело е их разр рушение. Некоторы ли просад ые разнов видности и яков и пол од, выветр риваясь, м ыстро разр . м происхо левошпат одит увел в объеме д данных по могут бы ород и вл лияние их рушаться. х на обде- При необходи механиче и услови плуатаци зывая де известня При этом лку тонн орое такж ушению. ок и даже тных поро личение в е может п ива при п проходке я 2. Г неля, кото Гидрогеол логическ кие услов привести вия горн евают сущ щественны ые измен нения. При к ее разр ого масси и отсутст твии наде ежной гид е тоннеля дроизоля- нель, про орезая то олщу пор род и пер ая потоки и подзем ных вод, , щается в св воеобразн ное дрена ажное соо , которое е принима ает на се- претерпе ции тонн превращ бя интен нсивную ф фильтраци ию подзе мных вод рехватыва оружение д. 10