Эксплуатация транспортных тоннелей


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)
ББК39.112я73
    С90


Рецензенты:
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».

                                                        УДК624.195(075)
                                                        ББК39.112я73











ISBN 978-5-9729-0427-3

  © Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников, 2020
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

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:
    • основные: тоннель, порталы, путь и проезжая часть, сбойки, ниши, камеры, тротуары, служебные проходы;
    • обеспечивающие: шахтные стволы, подходы, откосы, подпорные стенки, рампы, сервисные штольни;
    • инженерные системы: водоотводные, дренажные, энергоснабжения, вентиляции, освещения, электрооборудования, автоматики, сигнализации, связи;
    • 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

в одном направлении. На стадии проектирования для каждого объекта составляется прогноз на срок до 15 лет. И если прогноз показывает, что интенсивность движения превысит 10 000 автомобилей в сутки на полосу движения, то в тот момент, когда эта интенсивность будет превышена, должен функционировать тоннель с двумя стволами и односторонним движением по каждому стволу.
    Тоннели длиной более 600 м должны иметь или дополнительные эвакуационные выходы (сбойки) (рис. 1.1) в рядом расположенные тоннели, или штольни, имеющие выходы на поверхность, или в другие безопасные зоны, отделенные от тоннеля противопожарными преградами. Если устраивают дополнительные (эвакуационные) выходы, то расстояние между ними не должно превышать 300 м. Кроме того, в средней части трассы устраивают пункты аварийной остановки, связанные с поверхностью вертикальными или наклонными ходами.

Рис. 1.1. Эвакуационная сбойка между тоннелями

    При строительстве протяженных транспортных тоннелей часто между двумя параллельными тоннелями располагают сервисный тоннель меньшего диаметра. Назначение сервисного тоннеля:
       - для обслуживания основного тоннеля при его эксплуатации;
       - в качестве штольни безопасности (для эвакуации людей в случае пожара или другой чрезвычайной ситуации);
       - для дренажных целей;
       - для размещения коммуникаций систем жизнеобеспечения тоннеля.
    Такое решение было реализовано, например, при строительстве больших тоннелей под природно-охранным комплексом «Серебряноборское лесничество», соединяющих центр Москвы с шоссе Москва - Рига (Балтия). Было построено три тоннеля: два транспортных диаметром (в свету) 12,35 м и тоннель обслуживания (сервисный) диаметром 6 м между транспортными тоннелями. Особенностью построенных тоннелей является то, что в них предусмотрено размещение двух систем городского транспорта - трехполосное одностороннее 5

движение автотранспорта в каждом направлении по верхнему ярусу и поездов метрополитена в нижнем ярусе. Это крупнейшее подземное транспортное сооружение в России и Европе - общая протяженность построенных тоннелей около 7,0 км. На рис. 1.2 представлено поперечное сечение Серебряноборских тоннелей, построенных щитовым способом.


Рис. 1.2. Поперечное сечение Серебряноборских тоннелей:
1 - зона автотранспортного движения;
2 - зона движения поездов метрополитена;
3 - сервисный тоннель; 4 - поперечная сбойка;
5 - вентиляционный короб

    Основным сооружением любого тоннельного пересечения является транспортный тоннель.
    Эксплуатационная надежность транспортного тоннеля - это его способность выполнять на протяжении длительного времени (до 100-150 лет) заданные функции и сохранять при определенных условиях свои технические характеристики в установленных пределах. Транспортный тоннель, прежде всего, должен обеспечить безопасный и бесперебойный пропуск грузового и пассажирского транспорта с заданными параметрами подвижного состава или типами автомобилей и сохранить пропускную способность, установленную на участке тоннельного пересечения.
    Надежность является комплексным свойством, которое включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость (в случае консервации тоннеля). Для обеспечения надежности транспортных тоннелей решается широкий круг вопросов в процессе проектирования, в период строительства и последующей эксплуатации объекта.
Основные понятия, определяющие степень надежности сооружения
    Работоспособность (работоспособное состояние) - это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность

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:
    • ОП < [ОП] - исправное техническое состояние. Дефекты не отражаются на работоспособности элементов и устраняются путем проведения планово-предупредительного или текущего ремонта. Если ремонт проводится не вовремя, то снижаются показатели надежности и данный элемент может быть переведен в разряд неработоспособных элементов.
    • [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.
    • 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, карсто-образование 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:
    • склоновые процессы:
       -  оползни - 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);
       -  обвалы - быстрые перемещения различных по объему грунтов на крутых склонах;
       -  осыпи, камнепады (рис. 1.3) - перемещение по склонам продуктов выветривания горных пород (наблюдаются в горных областях на крутых склонах);
       -  сели - быстрые перемещения грязекаменных потоков по руслам рек, обладающие большой разрушительной слой (развиты в горных областях);
    • 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;
    • просадки грунта - оседания грунта, которые вызываются разными причинами: суффозией, карстовыми процессами, замачиванием массовых грунтов ит.д.;
    • землетрясения нетектонические образуются при обрушении значительных по объему горных пород, обусловленном экзогенными процессами.

9

      Они могут вызывать сотрясения интенсивностью до 6-7 баллов на небольшой площади.
    • криогенные процессы - термокарст. Это процессы оттаивания вечномерзлых пород в результате оттаивания льда, заполняющего трещины. В результате этого породы теряют несущую способность и становятся склонны к обрушению.

Рис. 1.3. Камнепад закрыл вход в тоннель

   В районах с суровым климатом и вечномерзлыми грунтами причинами снижения эксплуатационных качеств тоннеля являются:
      -  развитие морозного пучения глинистых грунтов на портальных участках;
      -  увеличение горного давления на обделку эксплуатируемого тоннеля при оттаивании вечномерзлых грунтов;
      -  оттаивание и прорыв подземных вод в тоннель в случае серьезных повреждений обделки.
   При анализе причин снижения показателей технического состояния тоннеля необходимо помнить, что с течением времени могут изменяться как физикомеханические характеристики грунтов, окружающих тоннельную обделку, так и условия статической работы обделки. Известны случаи, когда в процессе эксплуатации тоннеля грунтовый массив подвергался сдвигам или просадкам, вызывая деформации обделок и даже их разрушение. Некоторые разновидности известняков и полевошпатных пород, выветриваясь, могут быстро разрушаться. При этом происходит увеличение в объеме данных пород и влияние их на обделку тоннеля, которое также может привести к ее разрушению.
    2.     Гидрогеологические условия горного массива при проходке тоннеля претерпевают существенные изменения. При отсутствии надежной гидроизоляции тоннель, прорезая толщу пород и перехватывая потоки подземных вод, превращается в своеобразное дренажное сооружение, которое принимает на себя интенсивную фильтрацию подземных вод.

10