Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитая коммуникационная система современного іфупного города в нашей стране видится в широком применении метрополитена, способного обеспечивать быструю перевозку большого количества пассажиров на значительные расстояния. В настоящее время в 17 городах ведется строительство метрополитена. При высокой стоимости сооружения метрополитенов до 70$ ее приходится на долю обделки.
Железобетонная обделка применяется с самого начала строительства метрополитена,к ее применение неуклонно возрастает, тем но шнее в сложных гидрогеологических условиях тоннели возводятся из более дорогостоящей и дефицитной чугунной обделки. Поэтоцу обеспечение высокого уровня строительно-технических свойств железобетонной обделки, что позволило бы применить ее вместо чугунной, следует считать приоритетно.1 задачей в метро строении.Решение отой задачи тесно связано с долговечность!) обделки тоннелей, нормативный срок слукби которых является одним кз са*<ых продолжительных среди строительных сооружений.
Состояние вопроса. В настоящее время, когда освоен массовый выпуск обделки из бетона марші 600, получение высоких строительно-технических свойств обделки связано преядо всего с ее водонепроницаемостью, а болое точно - особо низкой проницзеиостьэ. Сода проникает внутрь тоїшолп как по толу блоков, так и по пвам иззду ниш, особенно в период сезшшо-клигатических изменений уровня грунтовых вод. Проникновение воды в тоннель затрудняет условия строительства и эксачуатацин. В процессе просачивания воды происходит разуплотнение грунта, его деформация и образование пустот. Фильтрация воды сквозь тело бетона обнаруживает скрытые дефекты технологического порядка (недоуплотнения, раковины, тре-
_ 4 -сцпщ) и вызывает изменения в ого структура - отслаивание, развитие коррозионных процессов в арматуре я бетоне, появление БЫСО-лоз, течей и плесневых грибков, что усугубляется антропогенной деятельностью в условиях города. Повреждения обделки в результате фильтрации воды иогут быть столь существенны, что на ее решит требуются десятилетия.
В процессе работы обдодка воспринимает нагрузку от горного а гидростатического давления и находится под динамическим воздействием подвижного состава. Отечественная практика показала, что нагрузки ка обделку московского метрополитена, применительно к которой выполнены настоящие исследования, являются одними из наибольших. Для круговой обделки, находящейся на большой глубине в извэетняках, маргачях, плотных глинах с прослойкам;! известняков характерно возникновение значительных изгибаюцих мэмзнтов н, следовательно, растягивакцих напряжений. Большие нагрузки испытывает обделка при пзредвшкз щита, особенно при неудовлетворительных геометрических размерах блоков, но обеспечивавших их четкого соприкосновение по плоскостям и приводящих к значительный шетныы напряжениям от давлеїшя домкратов. Это влечэт образованно сколов и трещин по кромкам блоков, около отверстий для нагкзтлнияі гс поломке и разрушению блоков, чаще всего эамхошя. Нагрузки вызывают деформации обделки, величина которых моеот создать аварий-иуа ситуаци», связанную с нарушением габарита приближения сгроа-кий, что отаачалось в тонколях, расположенных в несвязанных грунтах.
На тримере обделки кругового очертания для закрытого способа работ mosho выделить три этапа в применении бетона и кзлезоб-тояа'за 60 лет в стране. На первом этапе решалась задача по выяснению принципиальной возможности сооружения из нее тоннелей, а ка втором - массового применения обделки при отсутствии притока во-
- 5 -да. На нынешнем третьем этапе решается задача по серийному изготовлению обделки особо низкой проницаемости, способной заменить чугунную . Условно можно считать, что обеспечение низкой проницаемости обделки позволяет сооружать тоннели при давлении воды от 0,05 ...0,10 ИПа до 0,25 МПа, а особо низкой - при 0,30...0,35 НПа и D03 могло выше.
За последние 30 лет несколько десятков предложений по обос- . .печени» водонепроницаемости, в т.ч. блоков тоннельной обделки (ВТО), прошли эаводску» апробация. Половина из них относится к гидроизоляции, примерно треть - к материалу обделки, остальные касались технологически* операций. Предложения по гидроизоляции включали нанесение поверхностных покрытий с содержанием стекла, битума, эпоксидных смол и других компонентов. Другая группа предложений основывалась на установке внутри блока гидроизоляционных экранов из полиэтилена, стали, асбеста и подобных материалов. Работы, относящиеся к материалам, основывались на применение полимэ-рботонов, ботонополнмеров, специальных цементов и добавок. Біли продлоаония по соверсонствованкв технологических операция уплотнения бетонной смеси, тепловлшкностнол обработки (ТВО) и др. По указашым предложениям были проведе ни обширные исследования, однако Еодонопроннцаомая обдолка, удо влет зорящая требованиям строительства метрополитенов,но была получена, что является одним из подтверждений сложности решаемой задачи.
Высокие значения водонепроницаемости, получаемые на бетонних образцах по стандартной методике, не отражают фактическую во-донепроннцаемзеть реальной обделки. Процессы формирования и существования структуры бетона в малых лабораторных образцах и крупных производственных элементах обделки протекают неодинаково. Необходимо учитызать условия строительства и длительной эксплуатации обделки в подземной среде большого города. Значительное коли-
- б -
чество трещин в некоторых типах обделок эксплуатируемых тоннолей метрополитенов усложняет задачу обеспечении требуемой водонепроницаемости. Серьезные трудности обусловлены суцествукцим инженерно-технологическим уровнем изготовления обделки. В настоящее время наибольшая острота проблемы связана с обеспечением водонепроницаемости сборной обделки кругового очертания, что требует поиска новых решений для блоков, а также для швоэ между ними. Отмеченное определило цели настоящей работы.
Ц-злью работы является разработка и практическая реализация путей получения бетона и железобетона обделки особо низкой проницаемости для строительства метрополитенов.
Основные задачи работы:
- обосновать принципы и разработать методы получения бетонов
особо низкой проницаемости для обделок метрополитенов и опреде
лить пути решения проблемы;
- установить влияние условий работы бетона обделок нэ его свой
ства, в т.ч. проницаемость, іМтроектирование составов бетона;
установить закономерности структурообразования бетонов особо низкой проницаемости для тоннелестроения, разработать и опти-мии.ровать их составы;
с учетом закономерностей структурообразования обосновать рациональную технологию на всех этапах получения бетона и железо- бетона обделки, разработать заводскую технологии изготовления и усовершенствовать конструкцию элементов обделки; ;
отработать заводскую технологию и обеспечить серийное изготовление уплотняющего состава для заделки швов, разработать пути совершенствования состава;
создать эффективную систему производственного контроля качества бетона и железобетона особо низкой проницаемости для метростроения;
обеспечить серийное изготовление высококачественного бетона и железобетона монолитной и сборной обделки для строительства метрополитена;
обосновать пути дальнейшего совершенствования сборной обделки кругового очертания.
Научная новизна:
обоснованы принципы к разработаны методы получения бетонов обделок особо низкой проницаемости в существующих условиях производства; показано взаимосвязанное влияние штернала, технологии и конструкции на свойства обделки; отмечена, ведущая роль материала;
установлено влияние особенностей работы бетона обделок я преобладающее значение факторов, определяющих первоначальную структуру» для обеспечения низкой проницаемости; показано важное значение прочности;
установлены особенности структурообразования к разраСотакы состави бетонов особо низкой проницаемости;
обоснованы требования к цементам для бетона обделки и выработаны критерии по их выбору;
доказана возможность получения блоков обделки высокой водонепроницаемости и прочности на карбонатном заполнителе (КЗ) местных месторождении;
установлена зависимость повышения физико-механических свойств бетона обделки от содержания мелгоїх и мельча гыих фракция песка;
разработаны состави бетонов обделки прочностью 100 МПа для серійного изготовления;
разработаны новые технологии и конструкции армирования для обделок;
обоснованы пути совершенствовашія уплотняющего состава и разработаны новые композиции;
разработана уровневая системі активного контроля качества мз-
_ 8 -териалов и технологичоского процесса получения бетона и железобетона обделки;
разработаны новыэ методики оценки свойств материала обделки;
отработаны методи учета однородности свойств материалов и показателей технологического процесса при получении бетона и железобетона обделки;
обосновано применение дисперсно-армированного бетона (ДАБ) для блоков обделки кругового очертания и получены данные по физико-механическим свойствам обделки, блоков и материала из ста-лефибробетока.
Практическая ценность и внедрение результатов рабогц.
Результаты работы были апробированы и внедрены при серийном изготовлении обделки, в том числе при изготовлении обделки перегонных тоннелей диаметром ( о/ ) 5,5 м для участков с давлением воды до 0,10 МПа, обделки d. - 6,0 м с давлением воды до 0,35 МПа, для армирования обделки, для изготовления быстросхьлтываю-щейся уплотняющей смеси (БУС), коррозионностойкого бетона. На опытных участках уложены блоки с применением высокопрочного бетона марки 1000, портландцемента (ПЦ) с молотыми глиноземистым! шлаками и другими добавками, специальных цементов, карбонатного заполнителя, конструктивных изменений и т.д. В действующем тоннеле установлены блоки из сталефабробетона (СйБ) без стермнового и проволочного армирования, 1000 замковых блоков из этого материа-
*
ла смонтированы на разных участках метрополитена, а также а коллекторных тоннелях. Уплотняющие составы с неметаллическими волокнами и модифицированной матрицей уложены на опытных участках. Автор принимал непосредственное участие в изготовлении головных образцов круговой обделки для московского и бакинского метрополитенов, цельносекционной обделки, блоков из ДАБ, новой конструкции арматурных каркасов и т.п.
Принятая система контроля обеспечивает в существующих условиях надежность конструкций метрополитена, применение качественных материалов, дает возможность активного участия в корректировке технологического процесса и позволяет получать точну» информацию о свойствах обделки. Практическое применение найти методики: оценки трещиностойкости цемента и его склонности к расширению, полного распила блоков на образцы, оценки свойств бетона непосредственно в изделии, комплексной оценки консистенции бетона, испытаний отдельных замковых блокоз, испытаний одиночных блоков на водонепроницаемость, испытаний.фрагментов стыков блоков, оценки содержания глинистых частиц в песке, усовершенствованных испытаний уплотняющего состава.
Применение статистических методов оценки свойств, их сравнений, предсказаний,взаимосвязей, выявления аномальных результатов, установления влияния факторов позволило получить углубленную информацию по материалам.
Обеспечено проектирование, серийное изготовление и авторский контроль, в т.ч. транспортировки и укладки высококачественного бетона для ответственных строительна объектоз в Москве.
На основе работы были дану рекомендации по реконструкции существующих и строительству но вис бетонссмеептельных узлов (БСУ); механизации и автоматизации приготовления добавок; автоматизации ТБО; работе дробнльно-ссртирсвсчпого отделения; подбору составов бетона; по выбору цемента, добавок, заполнителей; повыпеншэ однородности и надежности свойств бетона и т.п.
Лаборатория Очаковского завода ЕЕК за последние 20 лет провела под руководством автора в сб^ей сложносгп свыпе 90 тыс. производственных испытаний материалов, выполнила значительнее количество научно-исследовательских работ по широкому кругу проблем, внесла предложения, по ряду нгрматнзных документов, участвогала в
выполнении диссертационных и дипломных работ, служила базой для студенческой практики.
Экономический эффект от внедрения работы состоят в создании обделки, которая длительно эксплуатируется с минимальными затратами. Дополнительный эффект образуется за счет экономии материалов и трудозатрат, совершенствования технологического процесса. Полученный от внедрения эффект только по сборным конструкциям тоннельного назначении в ценах 80-х годов составляет 11,5 млн.руб.
Достоверность и обоснованность научных сиводоз и рекомендаций. Полученные выводы и рекомендации подтверзденц успеамыми результатами практического применения, большим количеством проведенных экспериментов, многочисленными данными испытаний натурных изделий, конструкций и сооружений, длительными, сроками наблюдений и исследований, комплексным подходом к решению проблемы, сходимостью теоретических, модельных и натурных рэзультатов, высокой технической оснащенностью и применением современных Мег-доз исследований, иироким использованием математической статистики, применением нескольких независимых методик для оценки параметров, широкой апробацией результатов.
Апробация работы. Материалы работы представлялись на:
научно-технических семинарах Московского Дома Научно-техничэ-ской пропаганды (1972,1975,1979,1982,1985,1950 к 1991 гг.);
отраслевом совещании по производству железобетонных констру-кций на заводах ЖБК (Минск, 1984 г.);
совещании "Дуги повышения производства новых сборных кзлозо-бетошшх конструкций и прогрзесивнцх строительных материалов б Таджикской ССР" (Душанбе, 1985 г.);
X научно-техническом семинаре "Вопроси надежности строительных конструкций" (Куйбышев, 1987 г.);
научно-практииеской конференции "Управление технологией и
- II -
качеством на предприятиях строительной индустрии" (Брянск,1983 г.);
Всесоюзном координационном совещании по экономичному армировании железобетонных конструкций (Фрунзе, 1990 г.);
научно-технических конференциях МИИТ (1972, 1973 гг.);
второй международной научно-технической конфзренции "Надег.-кость строительных конструкции" (Болгария, Плевен,1990 г.);
ХХП, ХХШ и ХХІУ Международных конференциях в области ботоня и железобетона ("Иркутск~90", "Волго-Балт-91" и "Казказ-92н}.
Образцы элементов обделки, выполненные с непосредственным участием автора, демонстрировались на ДДНХ и международных строительных выставках.
Публикации. Материалы работы излог-ены в 150 публикациях и б авторских свидетельствах.
Автор зачищает:
научные, и ин.т.енерныо результаты и их практическое осуществление по созданию обделки с высокими строительно-техническиш характеристикам), основанныз на совершенствовании материала, технологии и конструкции;
подход и принципы решения проблемы получения бетона к келезобо-тона для обделки особо низкой проницаемости; преобладавшее значение свойств материала над другими показателями обделки;
тезис об учете особенностей структурообраэования бетонов обделок;
критерии по выбору цз.чєкїз д"л гонкалькой обделки;
результаты исследований по і:рнх-з;-:в-'-:ка їй «їт йозсэе;
работы по выбору мзхарігалао для Ззїоісй с^дал-у,, ?.:'?С"*:гл:т>ова-шш состазов и их сера.яэцу "1{зго,/-с'=?.с-нзег:
технологию изготовления is іїонсїруїод-л s.y;:av:y~;K:.'-: x:.~-r.vn~ для Б'ГО и других изделий;
исследования п лр^лле-гснпл г.о с::с:'Г'кс?:-г;^!іч;-> утал-.г:сг~ро
- 12 -состава для заделки швов;
систему контроля материалов и технологического процесса изготовления, методы и приемы оценки показателей на различных уровнях;
целесообразность применения вероятностных методов описания физико-механических свойств бетона и его составляющих, блоков и технологии;
обоснование по применению ДАБ для БТО и результаты проведенных по нему-исследовании.
