ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СОСТОЯНИЕ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ТОННЕЛЕЙ И КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК

Тоннели относятся к наиболее ответственным, сложным и дорого­стоящим искусственным сооружениям железнодорожного транспорта, рассчитанным на длительный срок эксплуатации. Основная несущая конструкция тоннеля — его обделка — закрепляет горную выработ­ку и воспринимает все виды действующих нагрузок. Условия работы тоннельной обделки исключительно сложны и весьма многообразны. Это объясняется в основном неопределенностью действующих на под­земные конструкции нагрузок и многообразием эксплуатационных условий работы сооружения, трудно поддающихся в ряде случаев качественным и количественным определениям.

Основные факторы, влияющие на эксплуатационные и статические условия работы тоннельной обделки, правильный учет^которых в зна­чительной мере повышает долговечность сооружения, могут быть под­разделены на четыре группы.

Внешние природные условия (геологические, гид­рогеологические и климатические условия; сейсмические воздейст­вия) имеют в ряде случаев первостепенное значение для всего состоя­ния тоннельного сооружения. Известно немало случаев, когда горный массив, прорезаемый тоннелем, подвергался оползням, сдвигам, про­садкам, вызывая тем самым деформации сооружения или даже его раз­рушение. Такие явления свойственны главным образом склонам гор и определяются рельефом косогора, мощностью и характером покров­ного слоя, условиями напластования, углом внутреннего трения и сцеплением породы, режимом подземных вод и наличием поверхностей скольжения. Нередко массив, вполне устойчивый до постройки

тоннеля, начинает смещаться в процессе эксплуатации вследствие нару­шения режима подземных вод, вызванного обильным водопритоком к самой тоннельной выработке и дренажным сооружениям.

Причиной деформации тоннеля в процессе его эксплуатации могут послужить также карстовые пустоты в горном массиве. Эти пустоты в виде пещер, каверн, гротов возникают под влиянием растворяющего и отчасти механического воздействия воды. В связи с этим особое вни­мание должно быть уделено тоннелям, заложенным в легко поддаю­щихся выщелачиванию породах, в гипсах, ангидритах, известковых и доломитовых породах.

Наличие карстовых пустот вблизи тоннельной обделки служит причиной значительных осложнений при эксплуатации сооружения. Особенно опасны карстовые пустоты, заполненные водой и образую­щие карстовые озера, из которых может произойти внезапный прорыв воды в тоннель.

В некоторых случаях карстовые пустоты с течением времени запол­няются отложениями, выщелачиваемыми из близлежащих пластов горных пород. Эти отложения нарушают однородность прорезаемых выработкой пород, что может послужить причиной появления значи­тельных местных нагрузок на обделку.

Геологические условия расположения тоннеля оказывают сущест­венное влияние и на статическую работу обделки. При достаточно вы­соком значении коэффициента упругого отпора (k <= 200 кгс/см²) пассивный отпор породы практически полностью исключает возмож­ность перемещений и деформаций обделки в сторону породы. При ма­лых же значениях этого коэффициента учет упругого отпора породы в расчетных схемах дает значительное уменьшение расчетных усилий по сравнению с принятыми схемами, рассматривающими обделку в ус­ловиях свободной деформации.

Свойства пород, окружающих тоннельную обделку, с течением времени под воздействием различных факторов могут меняться, тем самым изменяя условия статической работы обделки.

Условия работы обделок наиболее неблагоприятны в тоннелях, заложенных в глинах, глинистых сланцах и мергелях. Известны слу­чаи, когда процесс упругого расширения глины (пучение), которая до проходки выработки находилась под воздействием вышележащих пород в условиях трехосного сжатия, приводил к разрушению обделки.

Аналогичные явления, вызванные как действием воды, так и хи­мическими процессами, часто наблюдаются также в мергелях, при этом интенсивность набухания зависит от их петрографического сос­тава и физико-механических свойств.

Некоторые разновидности известняков и полевошпатовых пород под влиянием процессов выветривания могут быстро разрушаться, увеличиваясь при этом в объеме, и оказывать на обделку давление разрушительного характера.

Значительное увеличение объема породы и нагрузок на обделку. могут вызвать также химические процессы. Так, ангидрит в соедине­нии с водой превращается в гипс — водный сернокислый кальций и увеличивается при этом в объеме почти на 33%. Химические процес­сы, сопровождающиеся увеличением объема пород, могут иметь дли­тельный характер и оказывать вредное воздействие на условия работы тоннельной обделки в течение весьма долгого времени, исчисляющего­ся в некоторых случаях Десятками лет.

Влияние гидрогеологических условий на тоннельные конструкции может проявиться в виде дополнительной нагрузки от гидростатическо­го давления, а также вредного воздействия подземных вод на породу, окружающую выработку, и материал самой обделки.

Подземные воды, как правило, понижают прочность и устойчивость горных пород. Некоторые из них, такие, как мергели, глины и пески, в присутствии воды становятся крайне непрочными, иногда даже прев­ращаются в плывуны и со временем могут оказать значительное давле­ние на обделку.

Вредное воздействие подземных вод на тоннельные конструкции проявляется также в виде фильтрации через тело обделки, растворения карбоната и гидрата окисей кальция и выщелачивания их из бетона, что в значительной мере снижает его прочность. Кроме того, проник­новение подземных вод через обделку в тоннель в зимнее время, в осо­бенности в районах с суровыми климатическими условиями, еще в боль­шей степени ухудшает условия работы обделки. Вода, попадая в поры, швы и трещины кладки, замерзает и, увеличиваясь в объеме, разру­шает обделку. Кроме размораживания кладки и разрушения обделки, образование наледей в зимнее время приводит к временной негабарит­ности тоннеля и необходимости систематической сколки льда.

Сейсмические силы, возникающие в горном массиве при землетря­сениях, могут также в ряде случаев являться причиной значительных деформаций, а иногда и разрушения тоннельной обделки. Особенно интенсивно сказывается сейсмическое воздействие на порталах и входных участках тоннеля, а также на тоннелях, имеющих небольшую глубину заложения.

Геометрические параметры и конструк­тивные характеристики тоннелей (длина, попереч­ное сечение, план, продольный профиль; материал и конструкция об­делки, порталов, ниш; гидроизоляция, водоотводные и дренажные со­оружения и др.) имеют весьма существенное значение для условий экс­плуатации железнодорожных тоннелей.

Условия проветривания тоннеля с естественной вентиляцией в ос­новном зависят от его геометрических параметров. Чем длиннее тон­нель, тем затруднительней становится обмен воздуха и тем интенсивнее воздействие вредных газов на материал обделки. Размеры поперечного сечения тоннеля в этом отношении оказывают обратное влияние: в двухпутных тоннелях концентрация вредных газов при прочих рав­ных условиях меньше, однако в однопутных тоннелях в большой сте­пени сказывается поршневое действие проходящих поездов.

В тоннелях, расположенных на кривой, условия для проветривания хуже, чем в тоннелях, расположенных на прямой. Затруднительность проветривания возрастает с уменьшением радиуса кривой.

Двускатный профиль тоннеля создает большие затруднения для естественного проветривания по сравнению с односкатным. Чем больше разность отметок между входами и точкой перелома дву­скатного профиля, тем больше усилий требуется для обмена воздуха в тоннеле. В односкатном тоннеле интенсивность проветривания возрастает с увеличением разности отметок порталов.

Некоторые топографические и метеорологические факторы (изре­занная гористая местность, способствующая возникновению интен­сивных потоков воздуха, совпадение направления господствующих ветров с направлением оси тоннеля и др.) могут также благоприятст­вовать или, наоборот, затруднять естественное проветривание тон­нелей.

Существенное влияние на эксплуатационные условия и долговеч­ность тоннельного сооружения оказывают также его конструктивные характеристики. Некоторые конструктивные решения, являясь дос­таточно экономичными и в техническом отношении вполне оправдан­ными, требуют, однако, весьма тщательного постоянного надзора и не­укоснительного выполнения всех требований содержания и своевре­менного текущего ремонта. Как показал опыт эксплуатации ряда же­лезнодорожных тоннелей, такие решения иногда не приемлемы, так как тщательность надзора и своевременность текущего ремонта не всегда могут быть обеспечены на практике. Это положение особенно касается тоннелей, расположенных в суровых климатических усло­виях и малообжитых районах, где ощущается недостаток в рабочей силе. В несущих конструкциях возникают трещины, нарушается гид­роизоляция, засоряются, перемерзают и выходят из строя дренажные и водоотводные сооружения и т. п. Все это приводит к преждевремен­ному выходу из строя всего тоннельного сооружения, резкому ухудше­нию эксплуатационных условий и необходимости проведения ремонт­ных работ.

Строительные характеристики отражают факти­ческое состояние и очертание тоннельного сооружения по сравнению с проектным. Случайные отступления в натуре от проекта в пределах нормальных допусков всегда могут быть. При этом некоторые отступ­ления улучшают условия работы сооружения, другие же существенно ухудшают условия его эксплуатации.

Так, например, обделка, толщина которой превосходит проектные размеры за счет укладки бетона в переборы, или укладка в конструк­цию бетона более высокой марки может в значительной степени повы­сить прочность, устойчивость и долговечность сооружения. Излишки же профиля обделки, распределенные неравномерно по ее периметру, особенно в пределах сводовой части, приводят к увеличению сосредото­ченных нагрузок от собственного веса и обусловливают местные пере­напряжения и появление трещин. Отступления от кругового очертания в сборных обделках также заметно снижают их несущую способность.

Наличие пустот за тоннельной обделкой зависит, помимо геологи­ческих факторов, также от качества строительства и в первую очередь от тщательности нагнетания цементно-песчаного раствора в заобделоч- ное пространство. Заполнение раствором всех пустот создает плотный контакт между породой и обделкой, обеспечивает более равномерную передачу горного давления и тем самым существенно улучшает условия работы конструкции. Нагнетание цементного раствора оказывает так­же существенное влияние на величину упругого отпора породы, что непосредственно связано с условиями статической работы об­делки.

Заобделочные пустоты возникают вследствие недостаточно тщатель­ного заполнения заобделочного пространства в процессе строительст­ва, а также в результате постепенного гниения оставленной за обдел­кой деревянной крепи или забутовки переборов и вывалов. Такие пус­тоты со временем могут в значительной степени ухудшить условия ра­боты обделки, вызвать существенные деформации и привести к образо­ванию трещин.

Нарушение при строительстве (в результате проходки стволов, вспомогательных выработок или случайного вывала или обрушения) целостности лежащего над выработкой слоя водонепроницаемых пород может также в дальнейшем в значительной степени ухудшить условия эксплуатации тоннеля. Несмотря даже на тщательность забутовки и нагнетания раствора в пространство вывала, со временем в этом месте вышележащие подземные воды могут постепенно начать проникать в тоннель через обделку, образуя сильные протечки, а в зимний период—наледи. Это потребует срочного проведения ремонтных работ с целью ликвидации обводненности.

Эксплуатационный режим тоннеля (род тяги и интенсивность движения поездов) оказывает также немаловажное влияние на условия работы всего сооружения. Особенно неблагоприят­ной в этом отношении является паровая тяга, при которой газообраз­ные продукты сгорания топлива в паровозных топках исключительно вредно воздействуют на материал обделки. В этом случае наиболее сильному химическому и термическому выветриванию оказывает­ся подверженным свод, т. е. самая ответственная часть об­делки.

При тепловозной тяге влияние продуктов горения сказывается не столь интенсивно, так как количество выделяющихся газов меньше. Однако и в этих условиях может происходить химическое вывет­ривание, приводящее к разрушению и отслаиванию материала обделки.

При электрической тяге на тоннельное сооружение весьма вредное воздействие оказывают блуждающие токи, вызывающие коррозию чугуна и арматуры в обделках, элементах верхнего строения пути, а также всех остальных металлических конструкций, монтируемых в тоннеле.

Все перечисленные воздействия, связанные с родом тяги, в коли­чественном отношении зависят от числа поездов, проходящих через тоннель. Поэтому степень их вредного воздействия находится в прямой зависимости от интенсивности движения поездов. Кроме того, это вред­ное воздействие существенно сказывается также на условиях эксплуа­тации всего тоннельного сооружения.

Большая интенсивность движения поездов в ряде случаев затруд­няет текущее содержание тоннелей и не позволяет своевременно про­водить ремонтные работы, связанные с необходимостью получения
«окон», т. е. перерывов в графике движения поездов. Эти работы часто относят на более поздний срок, первоначально ограничиваясь времен­ными мерами первостепенной необходимости. Такое несвоевременное проведение полного объема ремонтных работ, естественно, не может не сказаться на ухудшении в целом состояния тоннельного сооруже­ния и уменьшении его долговечности.

Поэтому в процессе изысканий, проектирования, строительства и текущего содержания тоннелей следует тщательно изучать и своевре­менно учитывать все рассмотренные выше факторы, определяющие условия работы обделок. Это позволит возводить и эксплуатировать тоннельные сооружения, отвечающие современным требованиям и от­личающиеся долговечностью. Эксплуатация таких сооружений тре­бует незначительного объема ремонтных работ, которые могут быть выполнены, как правило, в процессе текущего содержания.

Многочисленные наблюдения за состоянием тоннелей показали, что в их обделках возникает множество видов разнообразных по ха­рактеру повреждений. Из большого разнообразия отдельных видов повреждений в обделках тоннелей наиболее часто встречаются следую­щие дефекты: продольные трещины, поперечные трещины, косые тре­щины, сквозные вывалы, несквозные вывалы.

При установлении состояния эксплуатируемых тоннелей, помимо выявления характера повреждений, необходимо также определять степень развития дефектов и наметить первоочередные мероприятия по их ликвидации.

Основные факторы, влияющие на нормальную эксплуатацию тон­нелей, причины их возникновения и оценка состояния сооружения

могут быть представлены в табличной форме (табл. 1).

Перечисленные в табл. 1 наимено­вания дефектов и причины их возникновения могут быть при необходимости дополнены. Индекс дефектов дает воз­можность в краткой цифровой форме записать сведения о состоянии соору­жения.

При разработке этой классификации за основу взята обделка подковообраз­ного типа, конструкция которой услов­но разделена на пять элементов: 1 — верхний свод, 2 — стены, 3 — фундаменты, 4 — обратный свод и 5 — вся обделка (рис. 1).

Рис. 1. Условное наименование элементов тоннельной конструкции: 1 — верхний свод; 2 — стены; 3 — фундаменты; 4 — обратный свод; 5 — вся обделка

Перечисленные неисправности в зависимости от их характера и объема могут быть устранены как в процессе текущего ремонта, так и при капиталь­ном ремонте, реконструкции или восста­новлении тоннеля.

Примечания. 1. Четырехзначный индекс расшифровывается следующим образом: первая цифра индекса указывает элемент конструкции, вторая — наименование дефекта, третья — причину его возникновения, четвертая — состояние названного элемента конструк­ции или всей обделки.

2. Состояние элементов конструкции или всей обделки оценивают следующим образом: цифрой 1 указывают аварийное состояние (в обделке сильно развиты трещины, их раскры­тие увеличивается, а размеры в свету уменьшаются или произошло полное разрушение кон­струкции); цифрой 2 — неудовлетворительное (наличие в кладке сквозных вывалов или тре­щин с шириной раскрытия более 0,2 мм; цифрой 3 — удовлетворительное (наличие в кладке небольших несквозных вывалов и усадочных трещин раскрытием не более 0,2 мм; цифрой 4 — хорошее (наличие в кладке поперечных трещин и волосяных усадочных трещин).