Байдаков Олег Сергеевич. Выбор и оценка технологических параметров инъекции грунтового массива для усиления сборных железобетонных обделок транспортных тоннелей

Краткое описание

Байдаков Олег Сергеевич. Выбор и оценка технологических параметров инъекции грунтового массива для усиления сборных железобетонных обделок транспортных тоннелей : Дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11 Москва, 2006 197 с. РГБ ОД, 61:06-5/2538

Байдаков, Олег Сергеевич
Выбор и оценка технологических параметров
инъекции грунтового массива для усиления
сборных железобетонных обделок
транспортных тоннелей
Москва 2006
Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст)
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
«НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО
СТРОИТЕЛЬСТВА» (ОАО ЦНИИС)
61:06-5/2538
Байдаков Олег Сергеевич
ВЫБОР И ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ИНЪЕКЦИИ ГРУНТОВОГО МАССИВА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ
СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБДЕЛОК
ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
(05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог,
метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»)
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Е. Меркин
Москва 2006 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ НЕ¬СУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБДЕЛКИ ЭКСПЛУАТИРУЕ¬МЫХ ТОННЕЛЕЙ
1.1 Общие положения 10
1.2 Методы оценки состояния конструкций эксплуатируемых тонне¬лей 11
1.3 Возможные повреждения и факторы, влияющие на несущую способность обделок транспортных тоннелей 15
1.4 Методы определения несущей способности обделок 23
1.5 Анализ современных способов проведения ремонтно-восстано-вительных работ в эксплуатируемых транспортных тоннелях ... 27
1.6 Формулировка задач и выбор методов исследования 33
Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ОБ-ДЕЛКА - МАССИВ» НА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ
2.1 Общие положения 38
2.2 Методика проведения численных экспериментов 39
2.3 Планирование численного эксперимента 43
2.4 Влияние расположения разуплотнения на напряженно-деформи-рованное состояние обделки 48
2.5 Влияние расположения и величины зоны укрепления на напря-женно-деформированное состояние обделки 71
2.6 Выводы по главе 79
Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕ¬ДЕЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНЪ¬ЕКЦИИ
3.1 Исследования по укреплению мелкодисперсных грунтов 81
3.2 Методика и оборудование для экспериментальных исследова¬ний, планирование эксперимента, оценка и выбор инъекционных материалов 87

ВВЕДЕНИЕ
Городские транспортные тоннели, и в первую очередь, тоннели метро-политенов, относятся к категории наиболее ответственных, и вместе с тем конструктивно наиболее сложных и дорогостоящих объектов, которые долж-ны отвечать требованиям эффективного функционирования, безаварийной и безопасной эксплуатации при минимальных людских, материальных и фи-нансовых издержках. Однако, недостатки проектирования, нарушение техно-логии строительства, естественный износ и техногенные воздействия на тон-нели, причиной которых могут быть изменения гидрогеологической среды, динамические нагрузки при эксплуатации тоннелей, а также изменение на-грузок на систему «обделка - грунтовый массив» при строительстве подзем-ных и наземных городских объектов в зонах расположения тоннелей приво¬дят к снижению ее несущей способности. Изменение состояния заобде- лочного пространства является причиной нарушения геометрии обделок, об¬разования трещин в блоках обделки, нередко сопровождается выносом грунта в тоннель и разуплотнением грунтов за обделкой.
Развитие дефектов и деформаций конструкций, изменение состояния заобделочного пространства преимущественно происходит на стадии экс-плуатации тоннелей, когда восстановление проектных характеристик объекта становится трудоемким и дорогостоящим мероприятием.
Анализ технического состояния эксплуатируемых тоннелей и разрабо-танной, за последние 25 лет в Научно-исследовательском Центре «Тоннели и метрополитены» (НИЦ «ТМ» ОАО ЦНИИС), проектной документации на защитные и ремонтно-строительные работы показал, что в большинстве слу-чаев причиной снижения несущей способности обделок служит изменение состояния заобделочного пространства.
Во многих случаях восстановление проектных параметров тоннельного сооружения может быть достигнуто улучшением контакта обделки с масси-
вом грунта (нарушенного тампонажного слоя за обделкой) и изменением фи-зико-механических характеристик окружающего тоннельную обделку грунта путем его уплотнения или укрепления, устройства защитных конструкций из укрепленного грунта в случае дополнительных нагрузок на тоннели.
Все эти мероприятия базируются на использовании специальных спо-собов производства работ, в первую очередь, на инъекционных технологиях, суть которых состоит в инъекции (нагнетании) в грунт, за обделку тоннелей, а также в бетонные, каменные и железобетонные конструкции растворов на основе минеральных или полимерных вяжущих. Инъекционные способы яв-ляются основными для решения такого рода технических задач и, практиче-ски, единственными, если речь идет об эксплуатируемых тоннелях.
Исходя их вышеизложенного и, имея в виду наибольшую потребность в усилении сборных железобетонных обделок заложенных в обводненных песчаных грунтах, разработку рекомендаций по выбору технологических па-раметров укрепления грунтового массива для этих обделок, наилучшим об-разом соответствующих конкретным условиям эксплуатации, следует счи¬тать актуальной научной и практической задачей.
При ее решении автором исследовалась также актуальная задача за-мены малопрочных и ограничиваемых по экологическим требованиям кар-бамидных смол на близкие к ним по проникающей способности новые инъ-екционные растворы на основе особотонкодисперсных минеральных вяжу¬щих (ОТДВ) «Mikrodur» производства концерна «Dyckerhoff» (Германия).
Проблема обеспечения несущей способности обделок транспортных тоннелей, требуемой из условий эксплуатации, в том числе, и в связи с до-полнительными воздействиями от намечаемого вблизи тоннелей строитель¬ства городских объектов обусловила актуальность темы диссертационной ра¬боты.
Целью работы, таким образом, является обеспечение требуемой несу-щей способности нарушенных сборных железобетонных обделок эксплуати¬
руемых транспортных тоннелей путем применения рациональной технологии инъекционных работ.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и ре-шены следующие задачи:
- исследование степени влияния на несущую способность и деформа- тивность сборной железобетонной обделки условий заложения тоннелей и характеристик контактного слоя системы «обделка — массив»;
- исследование методом математического моделирования влияния па-раметров инъекционного укрепления грунтов на несущую способность сис-темы «обделка — массив»;
- исследование процесса инъекции растворов на основе ОТДВ в песча-ные грунты с определением области их применения и физико-механических характеристик укрепленного грунта;
- разработка рекомендаций по усилению сборных железобетонных об-делок эксплуатируемых транспортных тоннелей инъекционными методами.
При выполнении диссертационной работы использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследования:
- расчетные методы определения напряженно-деформированного со-стояния системы «обделка - массив» с использованием программы «Plaxis»;
- математическое моделирование статической работы системы «об-делка - массив» на основе метода конечных элементов с использованием программы «Plaxis», в том числе, с учетом приложения дополнительных на-грузок на обделку и изменения глубины заложения тоннелей;
- лабораторные исследования технологических параметров инъекци-онных растворов и физико-механических характеристик укрепленного грунта по действующим нормативам и методикам;
- натурные наблюдения и мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций при ликвидации пустот и разуплотнений за обдел¬ками тоннелей на эксплуатируемых объектах Московского метрополитена и опытно-производственных работах по укреплению песчаных грунтов раство-рами на основе ОТДВ.
Научная новизна работы состоит:
- в оценке влияния характеристик контакта «обделка - массив» на не-сущую способность обделок тоннелей;
- математической модели системы «обделка - массив» для исследова-ния ее напряженно-деформированного состояния с учетом параметров укре-пления грунтов, вмещающих тоннельную обделку;
- в определении технологических параметров инъекционных растворов на основе ОТДВ и физико-механических характеристик укрепленного грун¬та;
- определении области применения инъекционных вяжущих типа ОТДВ «Mikrodur»;
- в методике лабораторных исследований инъекции растворов на ос-нове ОТДВ.
Достоверность полученных результатов обоснована:
- строгостью исходных предпосылок использованных расчетных моде¬лей и методов исследований;
- учетом требований действующих нормативных и методических до-кументов;
- использованием апробированных современных разработок отечест-венных и иностранных фирм;
- удовлетворительной сходимостью результатов исследований на ма-тематических моделях, в лабораторных и натурных условиях.
Практическую ценность работы составляют:
- результаты теоретических исследований влияния контакта «обделка - массив» и укрепления грунта на несущую способность обделок;
- рекомендации для проектирования по назначению параметров инъек¬ции при восстановлении сплошности контакта «обделка - массив» при укре¬плении грунтов за обделками тоннелей и в основании сооружений;
- уточнение области применения ОТДВ «Mikrodur» по виду и коэффи-циенту фильтрации инъектируемых грунтов и показатели физико-механиче-ских характеристик укрепленного грунта;
- методика лабораторных испытаний грунтов укрепленных инъекцией растворов на основе ОТДВ.
Результаты работы нашли применение в проектно-сметной документа-ции для 17 объектов, в том числе:
- на работы по уплотнению и укреплению грунтов вмещающих экс-плуатируемые и вновь строящиеся транспортные тоннели (Московского мет-рополитена, автодорожных Лефортовского, Серебряноборского и Дер-бентского тоннелей);
- для обеспечения сохранности зданий и сооружений путем повыше¬ния несущей способности их оснований (при строительстве Лефортовского тоннеля, при усилении свайных фундаментов школы в поселке Тарко-Сале и
др •);
- в указаниях по применению в промышленных масштабах ОТДВ для инъекционного укрепления грунтов на объектах тоннелестроения и в других областях строительства, нормативно закрепленных в СП 32-105-2004 «Мет-рополитены».
Результаты исследований и основные научные положения диссертаци-онной работы были доложены:
- на Научно-практической конференции «Проектирование и строитель¬ство тоннелей», Сочи, 24 - 27 сентября 2003 г.
- на Научно-практическом семинаре фирмы «ИНТРА-БАУ ГмбХ» и ООО «ВЕСТА Инж», Москва, июль 2003 г.
- на Международном семинаре, «Современные инъекционные мате-риалы и технологии», фирма «МС-Bauchemie», Москва, 2003 г.
- на Международной выставке «Подземный город 2004», Москва, 2004 г. (Диплом Участника выставки).
- на секции «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ТІНИ- ИС.
По результатам работы опубликованы 12 печатных работ, в т.ч. 2 па-тента на изобретение.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории «Технологии инъ-екционных и тампонажных работ» при участии сотрудников лаборатории «Конструкций и технологии сооружения тоннелей и метрополитенов» и «Горного давления и норм расчета» НИЦ «ТМ», а также консультациях и помощи, оказанной сотрудниками ООО «ИНТРА-БАУ ГмбХ». Автор выра-жает искреннюю благодарность В.Е. Меркину, В.А. Гарберу, И.Я. Харченко, А.А. Кашко, В.В. Чеботаеву, Е.В. Щекудову, Л.А. Воробьеву, Г.О. Смирно-вой, В.Г. Голубеву и другим за неоценимую помощь в подготовке диссерта-ции.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключе¬ния и содержит 197 страниц, 57 иллюстраций, 34 таблиц, 3 приложений и списка использованной литературы из 104 наименований.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе исследованы и даны решения актуальной научно-практической задачи по выбору и оценке технологических парамет-ров инъекции грунтового массива для усиления сборных железобетонных обделок транспортных тоннелей.
Оценена эффективность восстановления проектного значения напря-женно-деформированного состояния системы «обделка - грунтовый массив» с использованием инъекционных технологий для ликвидации разуплотнений и пустот, а также предварительного укрепления грунта при воздействии на обделку дополнительных нагрузок от намечаемого вблизи тоннелей строи-тельства городских объектов.
Исследованы инъекционные материалы на основе высокодисперсных минеральных вяжущих и определена область их эффективного применения.
Основные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем.
1. В современной практике одним из наиболее эффективных способов восстановления конструктивных параметров и усиления сборных железобе-тонных тоннельных обделок является обеспечение плотного контакта «об-делка - грунтовый массив» и укрепление окружающего тоннель грунта с ис-пользованием инъекционных технологий.
2. Расчетами определено влияние характеристик заобделочного про-странства на напряженно-деформированное состояние системы «обделка - грунтовый массив». Наличие разуплотнений за любым из блоков кольца об-делки, за исключением лоткового, уменьшает КЗАП этого блока до значений меньших 1. Наибольшему негативному воздействию этого фактора, сни-жающего /Гздп до значений близких к 0,5, подвержены блоки сводовой части кольца при расположении пустоты за одним из них или на стыке.
3. Разработана математическая модель системы «обделка - массив» для исследования ее напряженно-деформированного состояния с учетом пара-метров укрепления грунтов вмещающих обделку.
Определено, что укрепление грунтового массива за блоками выше го-ризонтального диаметра наилучшим образом (по сравнению с другими вари¬антами укрепления) сказывается на НДС обделки независимо от глубины за¬ложения тоннеля, так как при этом значительно снижаются деформации и обеспечивается достаточный для дальнейшей эксплуатации запас прочности блоков.
4. Для эффективной инъекции в мелкозернистые, в т.ч. обводненные песчаные грунты рекомендованы инъекционные растворы на основе мине-рального ОТДВ «Mikrodur», обладающие высокими значениями проникаю-щей способности и прочностными характеристиками укрепленного грунта, долговечностью и экологической чистотой.
5. Создана экспериментальная установка, разработана и утверждена в ЦНИИС методика испытания растворов и грунтов на инъектируемость рас-творами на минеральной основе.
6. По результатам лабораторных исследований определены основные технологические параметры инъекционных растворов на основе ОТДВ «Mik-rodur» (вязкость, время схватывания, седиментация) и физико-механические характеристики укрепленных ими песчаных грунтов. Установлены зависимо-сти этих показателей от водоцементного отношения В/Ц (концентрации вя-жущего в растворе). Определено, в частности, что прочность на сжатие и мо-дуль деформации укрепленного грунта изменяется от 5 до 50 МПа и от 3000 до 10000 МПа, соответственно, при изменении В/Ц от 3 до 5.
7. Уточнены границы применения инъекционных растворов на основе ОТДВ «Mikrodur» по обобщенному показателю проницаемости грунта (коэф¬фициенту фильтрации), что нашло отражение в нормативном документе фе¬дерального уровня СП 32-105-2004 «Метрополитены» (п.п. 6.7.3.3, 6.7.3.12, 6.7.3.13 и 6.7.3.15).
8. По результатам контрольных работ и исследований в производст-венных условиях определены ориентировочные показатели технологии на-гнетания инъекционных растворов для восстановления контакта «обделка - массив» (давление, удельные и общие расходы материалов) в зависимости от показателя пустотности заобделочного пространства, инженерно-геологиче-ских условий заложения тоннелей и величины строительного зазора за об-делкой.
9. Оценена экономическая эффективность предлагаемого варианта ук-репления грунтов за обделками выше горизонтального диаметра тоннеля при дополнительных нагрузках от намечаемого вблизи тоннелей городского строительства.
Дано технико-экономическое сравнение вариантов укрепления грунтов при проведении реконструкции объекта и новом строительстве, показавшее, что, несмотря на относительно высокую стоимость инъекционных материа-лов ОТДВ «Mikrodur», применение таких материалов для решения конкрет-ных технических задач является эффективным, чему способствуют особые свойства материала - высокая проникающая способность инъекционных рас-творов на его основе, высокая прочность укрепленного грунта и его долго-вечность, а также экологическая чистота материала.