Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования 6
2. Обзор разновидностей труб для микротоннелирования 20
2.1. Конструктивные особенности 20
2.2. Инженерно-геологические условия применения 31
2.3. Типоразмеры труб для микротоннелей 36
2.4. Виды проходок при использовании технологий микротоннелирования 51
3. Анализ взаимодействия крепи микротоннеля с массивом пород .57
3.1. Постановка задачи 57
3.2. Общий случай напряжённо-деформируемого состояния упругого кругового кольца 60
3.3. Напряжённое состояние кольца 62
3.4. Определение напряжений на контактах слоев в многослойном кольце 66
3.5. Определение напряжений в слоях обделки микротоннеля 70
4. Расчёты труб на действия различных нагрузок 73
4.1. Расчёт труб на действия нагрузок, приложенных к земной поверхности 73
4.2. Расчёт и выбор арматурного каркаса труб микротоннелей на действия расчётной нагрузки 78
4.3. Расчёт труб на действия усилий от домкратной станции 83
4.4. Расчёт максимально допустимой длины продавливания железобетонных труб между домкратными станциями 87
4.5. Определение необходимого количества промежуточных домкратных станций 92
4.6. Алгоритм расчёта. Пример расчёта 94
5. Исследование зависимостей напряжений в обделке микротоннелей. Анализ полученных данных 105
5.1. Вычислительный эксперимент «Определение зависимостей напряжений в обделке микротоннелей от толщины крепи» 105
5.2. Анализ полученного массива данных напряжений в обделке микротоннелей 108
5.3. Анализ характера распределения осевого давления, создаваемого промежуточными домкратными станциями 113
5.4. Исследование корреляционной зависимости осевого усилия продавливания от типоразмера трубы 116
Заключение 121
Список используемой литературы 123
Приложение
- Виды проходок при использовании технологий микротоннелирования
- Определение напряжений на контактах слоев в многослойном кольце
- Расчёт максимально допустимой длины продавливания железобетонных труб между домкратными станциями
- Анализ характера распределения осевого давления, создаваемого промежуточными домкратными станциями
Введение к работе
Актуальность работы. Возведение горнотехнических сооружений различного назначения с использованием технологии микротоннелирования начало развиваться в России с 1994 года. Первые опытные работы проводились в 60-х годах прошлого столетия, но были приостановлены. Строительство тоннелей методом микротоннелирования ведётся высокими темпами со скоростью 15 – 20 м в сутки и среднемесячной скоростью 150 – 300 м и более. При возведении тоннелей малого диаметра механизированным способом без присутствия людей в забое наиболее востребованы железобетонные трубы. В настоящее время большинство организаций при заказе обделок для строительства испытывают значительные трудности при выборе типоразмера труб для конкретных инженерно-геологических условий. Сложность выбора заключается в том, что, как правило, сооружение тоннелей ведётся на базе зарубежного опыта, часто не соответствующего отечественным условиям, требованиям и возможностям, а такие важные показатели как длина продавливаемого участка става труб и количество промежуточных домкратных станций принимаются преимущественно из имеющегося опыта проходки без надлежащего обоснования. Параметры объёмного арматурного каркаса, в том числе шаг навивки кольцевой арматуры, являются важными прочностными показателями обделки. Однако им уделяется недостаточно внимания в нормативной литературе, возникают практические вопросы с определением шага навивки и, следовательно, прочности обделки под конкретные нагрузки. Строительные организации и предприятия-изготовители труб часто закладывают необоснованно завышенные требования к прочности тоннеля, а это неизбежно ведёт к завышению стоимости строительства всего объекта. Таким образом, обоснование и расчёт параметров обделок микротоннелей в наиболее характерных инженерно-геологических условиях в зависимости от влияющих факторов при проходке тоннеля с учетом конструктивных особенностей самих труб являются актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематики Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанной федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013) (проект № 02.740.11.0319), а также аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» (проект № 2.2.1.1/3942).
Цель работы заключается в установлении новых и уточнении существующих закономерностей взаимодействия системы «микротоннель – горный массив» для выбора и расчёта параметров обделок микротоннелей круглого поперечного сечения и обосновании рациональной технологии их возведения.
Идея работы заключается в установлении рациональных конструкций обделок микротоннелей и параметров технологии их продавливания на основании анализа и обобщения практического опыта строительства микротоннелей, установлении закономерностей взаимодействия системы «микротоннель – горный массив» с учётом инженерно-геологических условий строительства.
Методы исследований включают систематизацию, обобщение предшест-вующих исследований, а также анализ состояния вопроса и опыта прокладки бестраншейных коммуникаций. В работе использованы методы механики подземных сооружений, и выполнены вычислительные эксперименты для установления закономерностей формирования нормальных тангенциальных напряжений в крепи в процессе взаимодействия крепи с массивом пород.
Основные защищаемые положения.
1. Возникающие тангенциальные напряжения в поперечном сечении микротоннеля зависят от усилий домкратных станций, вызываемых продольными сжимающими силами, и механических характеристик окружающих пород.
2. Величина интервала между промежуточными домкратными станциями зависит от максимального осевого усилия, внешнего диаметра обделки (трубы), сцепления, коэффициента трения бетона о грунт (бентонитовую глину), веса погонного метра трубы и природного напряжённого состояния горных пород.
3. Напряженное состояние обделки микротоннеля зависит от безразмерных отношений модулей деформации материала крепи и пород (Е1/Е0), отношений радиусов трубы внешнего и внутреннего контуров сечения крепи (r1/r2) и от усилия продавливания.
Новые научные результаты, полученные лично соискателем.
1. Получены зависимости прочности обделки тоннеля, подверженной осевому давлению при продавливании, от диаметра и толщины трубы, параметров объемного армокаркаса в бетоне, в частности, от шага навивки кольцевой арматуры, коэффициента косвенного армирования, общей площади продольной арматуры, прочностных характеристик бетона и арматурной стали.
2. Установлена зависимость необходимого осевого давления при продавливании трубы от глубины заложения тоннеля, вертикальных напряжений в грунтовом массиве, диаметра тоннеля в проходке, длины става труб, сцепления и коэффициента трения бетона о грунт (или слой бентонитовой глины). Установлена корреляционная зависимость осевого давления от внешнего диаметра труб (коэффициент корреляции С = 0,9427).
3. Установлена зависимость предельно допустимой длины става труб между домкратными станциями от максимального усилия домкратной станции, выдерживаемого обделкой, и, соответственно, требуемое количество промежуточных домкратных станций, от инженерно-геологических характеристик пород при глубине заложения тоннеля до 30 м, длине тоннеля до 1500 м и внешних диаметрах труб от 600 до 2000 мм.
4. В результате вычислительного эксперимента с использованием компьютерной программы «РК2-М» установлены зависимости экстремальных значений нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контурах сечения крепи тоннеля от компонентов начального поля напряжений в ненарушенном массиве, геометрических размеров обделки и параметра с1, характеризуемого отношением внешнего радиуса к внутреннему с1 = r1/r2, отношения модулей деформации (модулей сдвига) материала крепи и пород.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных положений и методов механики подземных сооружений, вычислительных экспериментов на ПК, сравнением результатов расчётов с данными натурных исследований других авторов (расхождение не превышает 15 %) и результатами внедрения в ЗАО «Тоннельпроект» при проектировании строительства третьей очереди канализационного коллектора в г. Ростов-на-Дону.
Научное значение работы заключается в обосновании, выборе и последующем расчёте рациональных вариантов параметров обделок микротоннелей, влияющих на взаимодействие железобетонной трубы с массивом пород, прокладываемой методом микротоннелирования на протяжении строительного (монтажного) и эксплуатационного периодов.
Практическое значение работы заключается в разработке «Методических рекомендаций по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей», используемых при проектировании и строительстве тоннелей.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использованы в разработанных «Методических рекомендациях по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей», принятых и утвержденных в ЗАО «Тоннельпроект», и апробированы при строительстве канализационного коллектора в г. Ростов-на-Дону.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на II-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ 2007 г., III-ей научно-технической конференции профессорско-преподава-тельского состава ТулГУ, 2008 г., 3-ей Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» в ТулГУ, 2010 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 9 научных трудах, включая 5 статей, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 134 страницы текста, 30 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 124 наименований.
Виды проходок при использовании технологий микротоннелирования
В технологи микротоннелирования существуют два основных способа прокладки тоннелей: - использование микрощитов различного типа; - использование технологии продавливания и шнекового бурения. При проектировании участков бестраншейной прокладки коммуникаций тип МТПК и микрощита выбирается в зависимости от инженерно-геологических условий данного участка и внутреннего диаметра проектируемого трубопровода или защитного футляра. Планово-высотные показатели участков бестраншейной прокладки коммуникаций выбираются исходя из положений общего проекта этих коммуникаций. Глубина заложения лимитируется минимальным расстоянием от поверхности до лотка прокладываемого трубопровода в устойчивых грунтах не менее двух диаметров, в неустойчивых грунтах - не менее трех диаметров [66]. При использовании микрощитов, как и в технологии продавливания, необходимо устройство двух шахтных стволов — стартового и приёмного. Расстояние между стартовой и приемной шахтами, как правило, назначается не более 150 м, при проектировании трубопроводов диаметром более 1000 мм и применении промежуточных домкратных станций расстояние между стартовой и приемной шахтами может назначаться до 1000 м. В отличие от технологии ГНБ (горизонтально-направленного бурения), микрощиты не имеют таких малых радиусов поворотов, и заглубление с поверхности с последующим выходом на проектную отметку на небольшой глубине просто невозможно. Как правило, в технологии микротоннелирования проходка ведётся в прямолинейном направлении, хотя по желанию заказчика возможно устройство криволинейных участков, но со значительными радиусами поворота. В случае использования технологии продавливания проходка ведётся только прямолинейными участками с использованием шнекового удаления породы, сконструированного на жёсткой оси. В продольном профиле положение участка бестраншейной прокладки по величине и направлению уклона не лимитируется и назначается по общему проекту. Направление проходки (продавливания) может задаваться как на подъем, так и под уклон. Среди разработчиков микрощитов наибольших успехов достигли немецкая компания «Херренкнехт» и канадская «LOVAT», предлагающие несколько типов щитов для разных горно-геологических условий.
Для тоннелестроения в коммунальной сфере в сложных или изменчивых геологических условиях наиболее подходят установки типа AVN (щиты Slurry) с гидротранспортом грунта. Конструкция этих установок позволяет использовать их в неоднородном грунте: от суглинков или несвязных рыхлых до крепких скальных пород. Разработанный грунт смешивается с поступающей по питающему трубопроводу водой или бентонитовой суспензией, измельчается в конусной дробилке, разработанной по принципу кофемолки, и откачивается на поверхность по транспортному трубопроводу. Грунт и жидкость разделяются в сепарационной установке, после чего полученная жидкостная пульпа поступает в отстойник, и уже осветлённая вода вновь поступает в систему гидротранспорта грунта [122, 124].
Уверенная прокладка трубопроводов большого диаметра обеспечивается установкой AVND. Для обеспечения дополнительной безопасности в водопроницаемом непрочном грунте проверенная установка типа AVN укомплектована новыми расширенными функциями.
Установки типа AVND являются щитами с гидропригрузом. При необходимости они создают пригруз на груди забоя с помощью бентонитовой суспензии и дополнительной воздушной подушки в разделенной на две части призабойной камере. Поскольку установку в процессе эксплуатации можно переключать из режима щита Slurry в режим щита с гидропригрузом, она рекомендована, прежде всего, для проведения работ в изменчивых геологических условиях. Также ее можно использовать в качестве универсальной установки. При необходимости прокладки тоннеля в мягком грунте, рекомендуется использовать установку ЕРВ, которая использует разработанный и поступивший в призабойную камеру грунт для укрепления груди забоя. Пена, подающаяся за рабочий орган, делает разработанный грунт пластичным, что позволяет точно регулировать опорное давление в призабойной камере и предотвращать неконтролируемое проникновение грунта. Одновременное кондиционирование грунта обеспечивает эффективную транспортировку разработанного материала [123, 124]. Этот метод применяется для быстрой и надежной проходки в связных грунтах с высоким содержанием глины или суглинков и малой водопроницаемостью. Установка ЕРВ обладает расширенной сферой применения и работает в несвязных грунтах с гранулированной структурой: нагнетание поверхностно-активной пены снижает объемную плотность и трение гранул грунта до такой степени, что буровой раствор приобретает определенную пластичность. Это позволяет контролировать опорное давление на груди забоя и использовать технологию в самых разных условиях. Для трубопроводов, которые прокладываются в однородных и устойчивых грунтах, оптимально подходит установка типа ТВМ фирмы Herrenknecht. Это простое и экономичное решение для проходки над уровнем грунтовых вод. В зависимости от свойств грунта установка оснащается соответствующим рабочим органом для скальных грунтов. Разработанный грунт по транспортерной ленте, доходящей до призабойной камеры, поступает в вагонетку в задней части установки - а оттуда транспортируется на поверхность.
Установки ТВМ прокладывают трубопроводы диаметром от 1,2 до 4,2 м. Тоннелепроходческие установки для малых диаметров с отсутствием доступа или с ограниченным доступом в тоннель управляются дистанционно и ведут проходку в скальных грунтах с высокой прочностью сжатия [122, 123].
Определение напряжений на контактах слоев в многослойном кольце
Графики демонстрируют, что с увеличением толщины крепи значительно уменьшаются напряжения в обделке тоннеля, а в боковой части тоннеля при А = 0,8 и г/ъ 1,25 напряжения не меняются. Причём при значениях коэффициента бокового давления Я близких к 0,75 при толщине крепи в интервале 1,3 г/о 1,25 напряжения в боковой части тоннеля могут полностью отсутствовать. Рациональным выбором трубы при Ej/Eo =100 будет отношение её радиусов 1,25 г/г0 1,3.
Используя приведённые графические зависимости, можно выбрать рациональную конструктивную толщину трубы для микротоннеля в широком диапазоне свойств пород и природных полей напряжений на основе современного аналитического метода расчёта крепи, что позволит повысить безопасность и эффективность строительства тоннелей.
Выводы. Напряженное состояние обделки (крепи) микротоннеля зависит от безразмерных отношений: модулей деформации материала крепи и пород (EXIEQ), внешнего радиуса крепи к внутреннему 0Уг2), и не зависит от абсолютных размеров крепи, причём боковое давление при определённых условиях может отсутствовать.
В частности, когда модуль деформации материала обделки тоннеля отличается от модуля деформации массива пород в 10 раз, рациональная толщина стенки трубы при г/г2 1,25. Причём при X = 0,4 и г/г2 = 1,25 боковое давление полностью отсутствует (рис. 24). Когда же модуль деформации материала обделки тоннеля отличается от модуля деформации массива пород в 100 раз, рациональной толщиной стенки трубы является отношение радиусов 1,3 г}/г2 1,25. А при значениях коэффициента бокового давления 1 близких к 0,75 при толщине крепи в интервале 1,3 г/г2 1,25 напряжения в боковой части тоннеля также полностью отсутствуют (рис. 26). Учитывая, что технология микротоннелирования активно применяется в России только последние 16 лет и, как правило, сооружение тоннелей ведётся на базе зарубежного опыта, часто не соответствующего отечественным условиям, требованиям и возможностям, а такие важные показатели как длина продавливаемого участка става труб и количество промежуточных домкратных станций принимаются преимущественно из имеющегося опыта проходки часто на свой страх и риск.. В связи с этим случаются ошибки в расчётах на осевые воздействия от домкратных станций, что влечёт за собой серьёзные проблемы в виде сооружения незапланированного шахтного ствола для извлечения проходческого щита.
На рисунке 27 представлена гистограмма распределения осевых усилий на трубы 01500 мм микротоннеля длиной 160 м. График показывает характер изменения нагрузок на каждом участке между промежуточными домкратными станциями. Значения нагрузок были получены опытным путём по окончании продавливания каждой трубы длиной 3 м в ставе в стартовом колодце на реальных строящихся объектах.
С установкой новой секции тоннеля — железобетонной трубы — возрастает общая длина става и, как следствие; сопротивление продавлива-нию, которое требуется преодолеть усилием от домкратных станций. В этой связи с каждой новой устанавливаемой трубой оно повышается.
Неравномерные значения усилий домкратных станций свидетельствуют о наличии разных горно-геологических условий или недостаточного давления в системе бентонитовой смазки, уменьшающее трение. В связи с чем, трение и сцепление обделки по грунту через слой бентонита значительно отличаются и как следствие меняется усилие продавливания.
В результате проведённых исследований с учётом параметров обделки, в том числе прочностных характеристик, горнотехнических условий, технологии производства работ, шага армирования в объёмном арматурном каркасе, расчётной максимальной длины между домкратными станциями, представлен график (рис. 28), демонстрирующий характер зависимости величины осевого давления от длины става железобетонных труб для различных диаметров микротоннелей.
График демонстрирует, что усилия значительно возрастают только до первой промежуточной домкратной станции, в связи с наращиванием става труб. Далее усилия остаются неизменными, что объясняется постоянной длиной става между станциями и приблизительно одинаковым сопротивлением продавливанию.
Анализируя графики, рекомендуется вести проходку тоннеля с осевыми давлениями до зоны риска, обеспечивающей 20% запаса мощности домкратной станции и позволяющей своевременно предусмотреть мероприятия по предупреждению возможных осложнений (например, связанных с преодолением препятствий, вынужденными простоями и, как следствие, повышенными усилиями при трогании и др.).
Представленные графики демонстрируют принцип работы технологии микротоннелирования, в частности, почему появляется значительное неравномерное осевое усилие на обделку от домкратной станции, каким образом оно возрастает и почему в определённый момент становится относительно постоянным.
Расчёт максимально допустимой длины продавливания железобетонных труб между домкратными станциями
Модель можно довести до разрушения, что дает возможность получить информацию о характере работы изучаемой конструкции, оценить ее несущую способность.
Метод эквивалентных материалов эффективен при изучении процессов, происходящих в грунтовом массиве при нарушении его выработкой. Однако непосредственно в конструкции, выполненной из эквивалентного материала (полимерные материалы, гипс), затруднительно получить данные о распределении напряжений в любом интересующем исследователя сечении. Задача особенно осложняется при моделировании конструкций, включающих большое число элементов.
При моделировании работы сложных подземных конструкций, расположенных в слабых малосвязных грунтах, могут использоваться преимущества обоих методов. С этой целью обделку подземного сооружения изготавливают из оптически чувствительного материала, исследуют напряжения в ней поляризационно-оптическим методом, а грунтовый массив моделируют с помощью эквивалентных материалов. Такой приём построения модели называются комбинированным методом моделирования, он применяется в современных исследованиях.
Опыты с использованием методов фотоупругости или эквивалентных материалов достаточно длительны и дорогостоящи, что затрудняет их использование при практическом проектировании, например при технико-экономическом сравнении нескольких вариантов проектных решений.
В течение длительного времени при расчете обделок тоннелей применялись традиционные подходы, основанные на рассмотрении обделки как обычной инженерной конструкции, включающие три стадии -определение внешней нагрузки на обделку, определение внутренних сил (напряжений) и проверку прочности конструкции. Обделка рассматривалась в виде рамы вне массива грунта, воздействие которого заменялось внешними нагрузками, либо как балка на упругом основании, испытывающая внешние ("активные") нагрузки и упругий ("пассивный") отпор со стороны основания. Расчет конструкций производился методами строительной механики. Эти работы содержат развитие идеи и метода расчета, разработанного Б.П. Бодровым и Б.Ф. Матэри, широко известного под названием метода Метрогипротранса.
В работе [10] рассмотрены расчеты сборных обделок коллекторных тоннелей, сооружаемых щитовым способом. Нагрузки задаются как активные, а расчет обделок тоннелей рекомендуется вести с учетом пассивного отпора грунта. Нагрузки от собственного веса грунта определяются в зависти от его типа (раздельно-зернистый, хрупко разрушающийся пластично деформирующийся) и условий достижения им предельного состояния. Гидростатическое давление грунтовых вод предложено считать изменяющимся по линейному закону. Нагрузка от зданий и сооружений на поверхности не учитывается.
Аналогичные подходы к расчету обделок тоннелей мелкого заложения используются и в других работах. Так, расчет сборно-монолитных обделок со связями растяжения производится по схеме кольца в упругой среде, воспринимающего активное вертикальное давление и равномерно распределенный горизонтальный отпор пород. Обделка коллекторного тоннеля моделируется стержневой шарнирной системой, деформирующейся под действием активной нагрузки (давления) и сохраняющей круглое поперечное сечение за счет отпора окружающего грунта. На нагрузку от свода обрушения рекомендуется рассчитывать подземные сооружения неглубокого заложения в зоне четвертичных отложений.
В работах Маковского Л.В. [51] рекомендуется расчет обделок тоннелей мелкого заложения проводить по методу Метрогипротранса, заключающемуся в представлении обделки как криволинейного бруса на упругом основании под действием нагрузки, приложенной к части периметра обделки (следствие применения гипотезы свода). Гербером В.А. [30] разработана так называемая имитационная модель, используемая при расчете обделок тоннелей, учитывающая нелинейный характер зависимости между напряжениями и деформациями для некоторых материалов, применяемых в подземном строительстве. В основу модели положена статически неопределимая стержневая система, заменяющая монолитную обделку, в которой напряжения определяются методом сил.
Рассмотренным выше методам присущи следующие недостатки: не учитываются касательные напряжения на контакте обделки с массивом (попытки учета касательных контактных напряжений нельзя признать удачными); необходимость приложения "активных" нагрузок непосредственно к обделке, что приводит к качественному искажению эпюр внутренних усилий и резкому возрастанию расчетных величин изгибающих моментов.
В связи с этим получили развитие методы расчета обделок тоннелей, основанные на аналитических или численных решениях контактных задач теории упругости о взаимодействии подземной конструкции с массивом пород (грунта) и на рассмотрении совместной работы обделки и массива как единой деформируемой системы.
В настоящее время сформулированы и разработаны методы расчета замкнутых монолитных бетонных и железобетонных, многослойных и комбинированных обделок тоннелей произвольного поперечного сечения при статических, тектонических и сейсмических воздействиях. Эти методы предназначены для расчета тоннелей глубокого заложения, не испытывающих влияния поверхности.
В работах Н.С. Булычёва [16] использовано решение Н.И. Мусхели-швили для кольца и получены расчётные формулы для компонентов напряжений и перемещений. Метод коэффициентов передачи нагрузок не требует совместности перемещений на контактах передачи нагрузок, выражаемых рекуррентными формулами.
Анализ характера распределения осевого давления, создаваемого промежуточными домкратными станциями
Герметичность обделки в узлах соединения ж.б. труб достигается наличием резиновых уплотняющих колец и, как дополнительная мера, за счёт установки в шов жгута из затвердевшего герметика на клеевой основе из того же материала.
Также применяются ж.б. трубы с внутренней антикоррозионной полиэтиленовой футеровкой (облицовкой) толщиной до 20 мм. Конструкция стыков труб позволяет успешно решать проблему контактных силовых воздействий по их торцам, надежную гидроизоляцию сборной тоннельной обделки в целом.
Микротоннели, состоящие из ж.б. труб с полиэтиленовой футеровкой, используются в самотечных тоннелях, эксплуатируемых в безнапорном режиме и предназначенных для пропуска бытовых, ливневых и сточных вод, а также для транспортировки технической воды. Трубы с полиэтиленовой футеровкой стоят дороже «голых» труб и применяются в основном для агрессивных сред. При необходимости тоннели, выполненные с обделками из этих труб, могут быть использованы для прокладки коммуникаций различного назначения. Помимо труб с футеровкой, в технологии микротоннелирования применяются для агрессивных сред и высококоррозионностоикие полимербетонные ж.б. трубы. Учитывая высокую коррозионную стойкость полимербетонных труб, наиболее эффективная область их применения - трубопроводы для фекальной и бытовой канализации, ливневые стоки, водостоки промышленных агрессивных вод, трубопроводы для транспортировки химических жидкостей. Отечественные полимербетонные трубы для бестраншейной прокладки разработаны и сертифицированы совместно ЦНКБ Госкомитета по оборонным отраслям промышленности, Мосинжпроектом и НИИМосстроем. Изготавливаются полимербетонные трубы в металлических виброформах с последующей термообработкой. Трубы производятся из полимербетона по ГОСТ 25246-82 и состоят на 90 % из минерального заполнителя с кривой гранулометрического состава от 0 до 16 мм на основе связующего и термоактивной смолы фурановой (ФАМ) или полиамидной (ПН). Трубы предусмотрены 2-х категорий по прочности, которые отличаются толщиной стенки: конструкции 1-й группы позволяют осуществлять прокладку трубопроводов при заглублении верха трубы до 4,0 м, конструкции 2-й группы - до 6,0 м при средних грунтовых условиях и воздействии временной нагрузки по схеме НТ-60 [86].
Стыковое соединение полимербетонных труб включает наружную кольцевую муфту из полиэфирного стеклопластика или из стали с антикоррозионным покрытием, по одному кольцевому уплотнителю специального профиля из каучука-эластомера на каждом из концов соединяемых труб, стыковую кольцевую прокладку из прессованной древесины, закладываемую в процессе монтажа между торцами смежных труб, а также кольцевые уплотнители из губчатой резины или герметика типа Тиксопрол-АМ, находящиеся по торцам муфты.
В настоящее время производятся достаточное многообразие ж. б. труб, способное удовлетворить самого взыскательного потребителя.
Достоинства железобетонных труб - высокий предел прочности при монтажных осевых усилиях, относительно невысокая стоимость и в этой связи широкая распространённость в технологии микротоннелирования. К недостаткам можно отнести значительный вес таких труб (например, ж.б. труба DN 800 мм, L = 3000 мм имеет вес 3,24 тонны) и толстую стенку самой трубы (например, ж.б. труба DN 800 мм, L = 3000 мм имеет толщину стенки 150 мм), что ведёт за собой увеличение диаметра проходческого оборудования, увеличение грузоподъёмности монтажных кранов и установок и, как следствие, удорожание проходки.
При выполнении расчетов труб на прочность следует учитывать давление вышележащего слоя грунта, временную подвижную нагрузку по схеме НК-80 под транспортными проездами, временную железнодорожную нагрузку класса СК-14, усилия от домкратов при продавли-вании, собственную массу труб и транспортируемой жидкости, давление транспортируемой жидкости, а также физико-механические характеристики грунтов в зоне трубопровода.
Расчет усилия продавливания приведен в разделе 3.
Некоторую альтернативу железобетонным трубам представляют стеклопластиковые трубы. Это композитные конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность с относительно небольшой плотностью. В разных отраслях промышленности они успешно конкурируют с такими традиционными материалами, как металлы и их сплавы, стекло, керамика, дерево.
Мировым лидером в производстве и потреблении изделий из композитных материалов являются США, где их промышленное производство было налажено еще в 1944 г. Сравнительно высокие удельные показатели прочности и жесткости волокнистых композиционных материалов наряду с химической стойкостью, сравнительно малым весом и другими свойствами сделали эти материалы привлекательными для изготовления трубопроводов различного назначения. Применение стеклопластиковых труб взамен металлических увеличивает срок службы трубопроводов в 5-8 раз, исключает применение антикоррозионных защитных средств, в 4-8 раз снижает массу трубопровода, исключает применение сварочных работ. При этом остается открытым вопрос применения стеклопластиковых труб, работающих при повышенных температурах (до 120С). Типы стеклопластиковых труб различных производителей можно разделить на три группы по следующим признакам: - тип связующего (матрицы): эпоксидное или полиэфирное; - тип соединения труб: клеевое или механическое; - конструкция стенки трубы: чистый стеклопластик (без футеровки), стеклопластик с пленочным слоем (футерованные трубы), многослойные конструкции. Компания «ХОБАС» (Швейцария) поставляет на рынок стеклопластиковые трубы для микротоннелирования уже несколько лет. Метод производства труб заключается в подаче в горизонтальную вращающуюся матрицу (центрифугу) основных компонентов: - полимерное связующее (ненасыщенная полиэфирная смола); - рубленное (армирующее) стекловолокно; - минеральные наполнители (кварцевый песок, карбонат кальция). Последовательно формируются функциональные слои, каждый из которых имеет свой специфический состав и назначение. Дальнейшая полимеризация происходит под воздействием значительной центробежной силы, что обеспечивает уплотнение материала, отсутствие расслоений, газообразных включений (следствие процесса полимеризации) и неоднородностей в структуре.
