Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность тоннелей

26.05.2016

Обширная география эксплуатирующихся, строящихся и намеченных к строительству тоннелей в нашей стране обусловлена климатическими и инженерно-геологическими условиями (включая особенности сейсмического районирования территории России). Независимо от назначения тоннелей и места их расположения условия работы тоннельных сооружений в подавляющем большинстве случаев чрезвычайно сложны.
Основные факторы, определяющие условия работы конструкций и обустройств и влияющие на эксплуатационные качества сооружения, можно разделить на четыре группы (рис. 1.4).
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.
Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность  тоннелей

Природно-климатические условия (геологические, гидрогеологические и климатические условия, сейсмические воздействия) имеют первостепенное значение не только для выбора проектных решений в период строительства тоннеля, но и в процессе его эксплуатации.
Геологические условия определяют выбор типа конструкции и метода производства работ, глубину заложения тоннеля, а также положение трассы в плане и профиле. Всесторонняя высококачественная и своевременная оценка геологических условий наложения тоннеля но многом определяет не только сроки окончания строительства, стоимость сооружения, но и условия его эксплуатации. Однако именно материалы инженерно-геологических изысканий имеют в большинстве случаев недостаточную степень надежности, что негативно сказывается в процессе эксплуатации тоннеля.
В соответствии с действующими нормами, к сложным инженерно-геологическим условиям при строительстве горных тоннелей следует относить такие условия, при которых имеет место хотя бы один из следующих факторов:
• отсутствует пассивный отпор грунта при деформации обделки тоннеля;
• грунты несвязные водоносные при гидростатическом давлении более 0,1 MПa (исключена возможность понижении уровня грунтовых вод);
• грунты сильнообводненные полускальные и скальные (приток воды 200 м3/ч и более на забой) с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову менее 6;
• прогнозируемое горное давление на обделку тоннеля превышает 0,6 МПа;
• возможна деградация вечной мерзлоты, приводящая к резкому нарастанию горного давления на обделку тоннеля.
С особой тщательностью необходимо анализировать инженерно-геологические условия в непосредственно примыкающей к трассе тоннеля зоне подземного сооружения. Ее ширину вдоль оси тоннеля определяют в зависимости от геологических и гидрогеологических условий района. По высоте зона подземного сооружения ограничена толщей грунтов с отметками на 30...40 м выше и на 8...10 м ниже основания тоннели. расположенного в связных полускальных и скальных грунтах. Если трасса тоннеля проходит в грунтах малосвязных и сыпучих, то указанная зона должна включать всю толщу грунтов до земной поверхности. В районах, подверженных воздействию карстово-суффозионных процессов, а также вблизи горизонтов, содержащих высоконапорные воды, глубину юны подземного сооружения увеличивают.
Важнейшей инженерно-геологической характеристикой участка тоннельного пересечения является его тектоническое строение (структура земной коры). Оно определяет степень трещиноватости и обводненности массива, характер и величину начального поля напряжении, а в процессе эксплуатации тоннеля характер силового взаимодействия, количественные показатели напряженно-деформированного состояния системы «обделка-грунтовый массив», а также позволяет прогнозировать участки возможных дефектов в обделке и водопритоков в тоннель.
Остановимся лишь на тех геологических показателях и явлениях, которые позволяют работникам, занимающихся текущим содержанием тоннеля, ориентироваться в большом объеме информации и дают возможность понять, как. проявив надлежащую предусмотрительность в своих решениях, не усугубить, а свести к минимуму негативное воздействие неблагоприятных геологических условий.
В однородных слаботрещиноватых скальных массивах обделка работает в благоприятных условиях. Значительное проявление упругого отпора грунта практически полностью исключает возможность перемещений и деформаций. Слоистость и трещиноватость массива ухудшает его физико-механические характеристики тем активнее, чем выше степень трещиноватости и меньше толщина пластов.
Положение пласта и пространстве характеризуется углами падения и простирания (рис. 1.5). Если ось тоннеля параллельна линии простирания или составляет с ней небольшой угол, то говорят, что тоннель проходит вдоль простирания, если этот угол близок к 90° — вкрест простирания. Наиболее благоприятно заложение тоннеля по простиранию мощных горизонтальных пластов, сложенных прочными слаботрещиноватыми фунтами (рис. 1.6, а).
Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность  тоннелей

При отсутствии сцепления между прочными пластами из-за глинистых прослоек между ними условия работы обделки на таком участке ухудшаются. При этом давление кровли на обделку будет велико и дефекты конструкции проявятся и своде или в пятах свода. Если же трасса тоннеля проходит по простиранию круто падающих пластов, то значительные напряжения испытывают стены обделки.
Менее благоприятно расположение тоннеля в наклонных пластах по их простиранию или и крест простирания (рис. 1.6, б). В первом случае возникает сильное одностороннее давление грунтов, вызванное образованием зоны разуплотнения, размеры которой достигают половины пролета выработки. Во втором — провисание подрезаемых пластов обусловливает неравномерность нагрузки на обделку со значительным превышением по сравнению с прогнозируемой.
При заложении тоннеля в пластах, изогнутых в складку по их простиранию (рис. 1.6, в), область антиклинали будет сравнительно благоприятна. Здесь можно ожидать небольшое давление горных пород и малый приток воды. Неблагоприятным будет заложение тоннеля в крыле антиклинали и, особенно, в синклинали, где кроме повышенного давления пород на конструкцию следует ожидать большой приток подземных вод. Если тоннель заложен вкрест простирания складок, то условия работы обделки будут еще тяжелее, чем при заложении в наклонных пластах.
Весьма неблагоприятно пересечение тоннелем плоскости сброса или сдвига (рис. 1.6, г). На таком участке возможны взаимное смещение пластов, приводящее к серьезным деформациям обделки вплоть до ее разрушения, и большой приток подземных вод. Большие осложнения не только в процессе строительства, но и в период эксплуатации доставляют зоны тектонических разломов и размывы. Воздействие тектонических нарушений иногда сказывается лишь через довольно продолжительное время после завершения строительства и проявляется в виде значительных деформаций обделок с возникновением продольных и поперечных трещин.
Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность  тоннелей

Проходка зон тектонического разлома или размыва сопряжена с возможными обвалами и прорывами напорной воды, нередко вызывающими аварии, а в некоторых случаях и катастрофы. После ликвидации аварии вследствие разуплотнения грунтового массива на этом участке изменяются физико-механические характеристики грунта, повышается неопределенность в статической работе обделки (изменение начального поля напряжений, неравномерные нагрузки, существенное снижение отпора фунта на отдельных участках периметра обделки).
Одной из важнейших характеристик скальных и полускальных пород является трещиноватость. Степень и характер трещиноватости пород в массиве определяют его деформируемость и устойчивость, водопроницаемость, фильтрационную и механическую анизотропность и, в итоге, характер и величину нагрузок на обделку. Геомеханические процессы силового взаимодействия обделки с грунтовым массивом, сложенным скальными и полускальными породами, больше зависит от трещиноватости, чем от вещественного состава и прочности этих пород.
Применительно к подземному строительству выделяют следующие важнейшие типы трещин: тектонические, трещины отдельности, трещины напластования, трещины выветривания, трещины бортового отпора.
Тектонические трещины возникают вследствие разрывных тектонических дислокаций. Протяженность их в плане — от нескольких сотен метров до десятков и даже сотен километров. По глубине они развиты на десятки и сотни метров. Могут пересекать скальные породы разного вещественного состава и генезиса (магматические, осадочные, метаморфические), имеют линейную ориентировку. Ширина колеблется от нескольких миллиметров до нескольких метров. Встречаются они не повсеместно. а лишь в тектонически активных (в настоящем или в прошлом) районах. С точки зрения условий работы тоннельной обделки — это самый опасный тип трещин.
Трещины отдельности возникают лишь в магматических породах в момент остывания магмы Образуют определенные системы в массиве, индивидуальные для каждого типа (гранита, диабаза и др.). Размеры их различны от мелких до средних и даже крупных. Их влияние может проявляться по всему тоннелю, пересекающему данный генетический тип пород.
Трещины напластования встречаются в осадочных породах и приурочены к границам пластов.
Трещины выветривания образуются в скальных породах любого вещественного состава и генезиса (происхождения). Такие трещины не имеют какой-либо ориентировки в пространстве и обычно развиты в приповерхностной зоне. С глубиной трещиноватость резко снижается. Они представляют наибольшую опасность при строительстве и эксплуатации порталов. Могут явиться причиной образования на склонах осыпей, вывалов и даже мелких обвалов.
Трещины бортового отпора возникают в приповерхностной зоне на косогорах. Ориентированы параллельно склону. Их размеры меняются и широком интервале, со временем в большинстве случаев (если не принять профилактических мер) закономерно увеличиваются. Могут явиться причиной возникновения мелких и средних обвалов. Представляют угрозу портальным сооружениям.
Большое осложнение в процессе эксплуатации могут доставить неразведанные карстовые пустоты, которые обычно образуются в результате выщелачивания растворимых в воде горных пород. В закарстованных породах возможно оседание кроили, 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 должно быть уделено тоннелям в легко поддающихся выщелачиванию породах, таких как гипсы, ангидриты, известковые и доломитовые породы.
При анализе причин снижения показателей технического состояния тоннеля очень важно понимать, что физико-механические характеристики фунтов, окружающих тоннельную обделку, с течением времени могут изменяться. Изменяются, очевидно, и условия статической работы обделки. Известно немало случаев, когда после продолжительной эксплуатации тоннеля грунтовый массив подвергался сдвигам или просадкам, вызывая деформации обделок и даже их разрушение. Некоторые разновидности известняков и полевошпатных пород под влиянием процесса выветривания могут быстро разрушаться, увеличиваясь при этом в объеме, и оказывать на обделку давление разрушительного характера. При отрицательных температурах и обводнении глинистые гонкодисперсные грунты склонны к пучению, создавая дополнительную нагрузку на обделку, вызывая деформации основания пути в тоннеле и на подходах к нему.
В районах с суровым климатом и вечномерзлыми фунтами причинами снижения эксплуатационных качеств тоннеля являются: развитие морозного пучения глинистых фунтов на портальных участках, увеличение горного давления на обделку эксплуатируемого тоннеля при оттаивании вечномерзлых фунтов, оттаивание и прорыв подземных вод в тоннель в случае серьезных повреждений обделки.
Гидрогеологические условия горного массива при проходке тоннеля претерпевают существенные изменения. При отсутствии надлежащей гидроизоляции тоннель, прорезая толщу пород и перехватывая потоки подземных вод, превращается в своеобразное дренажное сооружение, принимая на себя интенсивную фильтрацию подземных вод.
Для успешною прогнозирования обводненности тоннеля необходимы сведения об источниках питания водоносных горизонтов, путях поступления воды в подземную выработку, возможное изменение гидрогеологических условий под влиянием построенного сооружения.
Обводненность массива на трассе тоннеля определяют следующие факторы:
• климатические условия paйонa: среднегодовое количество атмосферных осадков, характер их выпадения (ливневые дожди, морось, интенсивное или медленное снеготаяние), испаряемость;
• гидрография района: наличие и расположение рек, ручьев, озер, водохранилищ, заболоченность территории. Тоннели, расположенные на отметках выше местного базиса эрозии, обычно хорошо дренированы существующей гидрографической сетью, вследствие чего слабо обводнены. Тоннели, находящиеся на отметках ниже местного базиса эрозии и, особенно, приуроченные к зоне влияния поверхностных водоемов. обводнены значительно больше, чем первые;
• рельеф местности: при сильно расчлененном рельефе основная масса атмосферных осадков идет на поверхностный сток и лишь незначительная — на их инфильтрацию. Кроме того, глубокие эрозионные врезы сокращают площадь водосбора водоносных горизонтов, а следовательно, ухудшают условия их питания;
• геологическое строение: соотношение водопроницаемых и водоупорных слоев определяет количество водоносных горизонтов, их размеры. условия питания, наличие или отсутствие гидравлической связи;
• тектоника района: наличие или отсутствие региональных или локальных зон тектонических разломов, степень и характер трещиноватости скальных пород;
• степень и характер выветренности или закарстованности пород но простиранию и глубине относительно проектируемого тоннеля.
Применительно к тоннельным сооружениям можно выделить следующие основные типы водоносных горизонтов, к которым приурочены: пластовые воды (типа артезианских вод); трещинные воды; карстовые воды; грунтовые воды.
Пластовые воды обычно приурочены к определенной литологической разности или комплексу слоев, обладающих ярко выраженными фильтрационными свойствами. Поэтому по гидрогеологическим каргам и разрезам легко установить положение этого водоносного горизонта в пространстве. Чаше всего он бывает приурочен к синклинальным складкам. Водовмещающий слой подстилается и перекрывается водоупорными разностями. Этот водоносный горизонт характеризуется значительной площадью распространения, составляющей сотни и (чаще) тысячи квадратных километров, а следовательно, огромным статическим запасом воды. Он имеет большую глубину залегания, измеряемую десятками и даже сотнями метров. Обладает напором, величина которого определяется положением пьезометрической поверхности. В отличие от фунтовых вод режим артезианского бассейна стабильный, мало зависящий от атмосферных факторов.
Трещинные воды приурочены к скальным и полускальным породам разного генезиса и вещественного состава. Их запасы, закономерности движения, гидравлический режим и даже химический состав обусловлены интенсивностью и характером трещиноватости этих пород, генезисом преобладающих трещин, вещественным составом заполнителя, а также глубиной их распространения.
В верхней зоне скального массива (до глубины 50...60 м) подземные воды в основном приурочены к трещинам выветривания. Питание осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков или из поверхностных водоемов. С глубиной степень трещиноватости пород, а следовательно, их водообильность закономерно снижаются. Обычно этот водоносный горизонт ненапорный, режим его постоянен как во времени, так и в пространстве, как и запасы воды на отдельных участках. На больших глубинах трещинно-фунтовые воды постепенно сменяются трещинными напорными. Глубина, на которой прослежена обводненность пород по трещинам, достигает, как правило, 300...400 м, но обычно не превышает 500...600 м. На таких глубинах как статические, так и динамические запасы подземных вод невелики. Удельный водоприток в забой не превышает 1 м3/ч. Чрезвычайно серьезную опасность в этой зоне представляют тектонические разломы. Они нередко ограничены в плане (от нескольких метров до нескольких десятков метров), но в глубину распространяются на сотни метров. С ними связаны внезапные большие поступления воды и тоннель.
Трещинные воды снижают устойчивость скального массива с водорастворимым заполнителем трещин. Следствием являются многочисленные вывалы. Размыв глинистого заполнителя происходит локально и значительно медленнее, чем выщелачивание растворимых солей (карбонатов, сульфатов, галоидов). Время устойчивого состояния скального мaccива от момента проходки выработки до резкого нарастания горного давления на обделку зависит от степени и характера трещиноватости, размера трещин, напора подземных вод и исчисляется от месяца до нескольких лет.
Карстовые воды приурочены к водорастворимым породам (известнякам, гипсам, доломитам, каменной и калийной солям). Как правило, они содержатся в крупных полостях, образуя настоящие подземные реки и озера. Соответственно и законы движения этих вод ближе к поверхностным потокам, чем к подземным.
Факторами, способствующими развитию карстовых полостей, являются сильная трещиноватость этих пород, степень их растворимости (легкорастворимые — каменная и калийная соль, среднерастворимые гипс и ангидрит, плохо растворимые — известняк и доломит), высокая скорость движения подземных вод. Поэтому осушение подземных выработок заобделочными дренажными устройствами способствует росту карстовых полостей. Интенсивность выщелачивания пород значительно увеличивается с повышением температуры воды и наличием в ней растворенной углекислоты. Процесс выщелачивания нередко приводит к образованию полостей в непосредственной близости от обделки тоннеля. Последствием может быть деформация п даже полное ее разрушение на отдельных участках тоннеля.
Грунтовые воды встречаются обычно лишь в припортальных участках. Водовмещающей породой являются делювиальные отложения, имеющие пылевато-глинистый состав, а следовательно, малую водопроницаемость и водоотдачу. Режим их непостоянный, зависит от атмосферных осадков и снеготаяния. Крупных притоков в тоннель этого типа подземных вод можно не опасаться, однако в результате увлажнения делювиального чехла может активизироваться оползневый процесс.
Подземные воды, как правило, понижают прочность и устойчивость фунтов. Некоторые из них, например мергели, глины и пески, в присутствии волы теряют прочность. Опыт эксплуатации тоннелей показывает, что большинство дефектов является результатом взаимодействия воды с тоннельным сооружением и окружающим его фунтовым массивом. Следствием этого является выщелачивание и вымывание грунтов и цементного камня из бетона обделки, коррозия бетона и арматуры, разжижение балласта, разрушение бетона конструкций при воздействии знакопеременных температур, разрушение гидроизоляционных покрытий и др.
Ярко выражено вредное воздействие подземных вод на бетонные конструкции при отсутствии наружной гидроизоляции обделки. Фильтруясь через тело обделки, химически нейтральные воды (водородный показатель pH = 5...5.5) вызывают коррозию бетона по первому типу — выщелачивание (вымывание солей кальция). Волы с водородным показателем pH ≤ 5 фактически являются растворами кислот, которые вступают в химическую реакцию с цементным камнем и растворяют его с образованием солей этих кислот. Менее агрессивны по отношению к бетону минерализованные и щелочные воды с pH ≥ 6. за исключением сульфатных вод, вызывающих сульфатную коррозию, обусловленную разрастанием и увеличением в объеме кристаллов сульфата натрия и калия в микротрещинах и порах бетона, механически разрушая его.
Обводненность тоннелей мелкого заложения обычно находится в прямой зависимости от количества атмосферных осадков и талых вод, наличия на над тоннельной поверхности водоемов, рек и ручьев. Большое влияние при этом оказывают рельеф и состояние надтоннельной поверхности, свойства и литологический состав грунтов. Пологие склоны с местными впадинами, оврагами, густая растительность на надтоннельной поверхности способствуют накоплению снега в зимний период и аккумуляции ливневых и талых вод в грунтовом массиве. В сцементированных грунтах, имеющих слабые фильтрационные свойства, обводненность, как правило, невелика. В закарстованных и легко растворимых грунтах обводненность значительная, а в рыхлых водопроницаемых грунтах — сильная. Зонами обильного водопритока к тоннелю являются участки тектонических нарушений, связывающие водоносные гори зонты между собой и с дневной поверхностью.
Климатические условия сопряжены с повышенными трудностями содержания тоннелей о районах сурового климата. Если в тоннеле не защищены конструкции и обустройства от неблагоприятных воздействий отрицательных температур, подземные воды, проникая в тоннель через обделку, зимой намерзают на сводах, стенах и пути, образуя наледи, угрожающие безопасности движения поездов и подвергая опасности обслуживающий персонал. Кроме того, попеременное замораживание и размораживание воды в материале обделки ведет к ее интенсивному разрушению.
Сейсмические воздействия относятся к особым нагрузкам на тоннельные конструкции, которые следует учитывать при проектировании, строительстве и текущем содержании тоннелей, эксплуатируемых в сейсмических районах. Интенсивность сейсмических воздействий (балльность) принимается по картам сейсмического районирования, принятым eщe Академией наук России с изменениями, внесенными Российской Академией наук. Однако реальная сейсмичность участка, где непосредственно расположен тоннель, может существенно отличаться от сейсмичности, определенной по картам сейсмического районирования вследствие особых геологических условий на трассе тоннеля. Поэтому сейсмичность на участке тоннельного пересечения определяют на основании сейсмического микрорайонирования. В районах, для которых отсутствуют карты сейсмического районирования, допускается определять сейсмичность в зависимости от категории грунтов. Даже при одинаковой нормативной балльности характер и интенсивность влияния землетрясения на тоннель на разных его участках нередко существенно отличаются и обусловлены как геологическим строением массива, так и конструктивными особенностями сооружения.
Наибольшие остаточные деформации тоннельных обделок возникают на участках тоннелей, расположенных вдоль горных склонов, в местах смены литологического состава грунтов, при изменении глубины заложения тоннелей вследствие резкой смены рельефа. При этом степень устойчивости тоннельных обделок при прочих равных условиях пропорциональна крепости грунтов. Повреждения обделки тоннелей на участках мелкого заложения являются наибольшими по сравнению с участками, расположенными набольшей глубине.
В припортальных участках тоннеля во время землетрясения происходит инерционное воздействие масс грунта, теряющих устойчивость при колебаниях массива. Поэтому порталы большинства тоннелей при сильных землетрясениях разрушаются практически полностью. В лучшем случае на припортальных участках по всему периметру обделки возникают многочисленные продольные и поперечные трещины, что связано с воздействием инерционных сил от давления грунта на портальные подпорные стенки, особенно при большой крутизне откоса у портала тоннеля. При пересечении трассой тоннеля тектонических трещин возможно смещение участков обделки (независимо от ее конструкции) на расстояние до нескольких десятков сантиметров от первоначальной оси тоннеля в поперечном к оси трассы направлении.
Большое влияние на подземные сооружения при землетрясениях оказывают грунтовые условия. Наибольшие разрушения отмечены в рыхлых неуплотненных грунтах, а также в местах контактов слоев с резко отличными физико-механическими свойствами. Для подземных сооружений инерционные силы от элементов конструкций являются лишь частью сейсмической нагрузки, притом не всегда большей. Основное воздействие связано с изменением напряженного состояния грунтового массива при распространении сейсмических ноли. Конструкция подземного сооружения, имеющая жесткость, отличную от жесткости грунтового массива, искажает поле сейсмических волн. Если она обладает достаточной гибкостью, то будет следовать за смешениями и деформациями грунтового массива. Если конструкция имеет жесткость большую, чем жесткость окружающего массива, то на ранние с обделкой поле сейсмических волн претерпевает изменения, вызывая концентрацию напряжений в грунте вокруг обделки. В большей степени воздействию сейсмических сил подвержены тоннельные обделки из монолитного бетона незамкнутого очертания, имеющие разуплотнения и пустоты в заобделочном пространстве, а также сборные обделки без связей растяжения и сейсмических швов.
К конструктивным характеристикам тоннельного пересечения относятся: длина тоннельного пересечения; число параллельных тоннелей; их поперечное сечение; план, профиль, материалы и конструктивные решения обделки, порталов, ниш; гидроизоляция и водоотвод и другие обустройства тоннелей.
Так, некоторые конструктивные решения, являясь вполне оправданными а техническом отношении на стадии проектирования и экономичными при строительстве, затем могут оказаться малоэффективными, так как потребуют усиленного постоянного надзора и повышенных затрат на эксплуатацию. Это замечание особенно актуально при организации надзора и текущего ремонта тоннелей, расположенных в суровых климатических условиях и малообжитых районах, где ощущается недостаток в рабочей силе, существуют проблемы с доставкой оборудования и материалов. От характеристик и качества конструктивных материалов, применяемых для сооружения обделки, зависят долговечность и эксплуатационные качества тоннелей. Применение бетонов повышенной плотности со специальными добавками, повышающими их водонепроницаемость и морозостойкость, а также полимерных бетонов может существенно снизить общую обводненность тоннеля. Однако монолитные тоннельные обделки, подверженные интенсивному трещинообразованию и не имеющие гидроизоляции, не могут быть в полной мере водонепроницаемыми. Кардинальным решением зашиты тоннеля с монолитной бетонной обделкой от проникновения подземных вод является устройство наружной гидроизоляции но периметру обделки.
До настоящего времени сечение однопутного железнодорожного тоннеля, сооружаемого горным способом с обделкой из монолитного бетона, по традиции принималось подковообразного очертания. Такая обделка на всем протяжении тоннеля периодически нарушена устройством ниш и камер, что в местах их сопряжения приводит к повышенному трещинообразованию и водопритоку в тоннель.
Новая концепция строительства железнодорожного тоннеля в условиях сурового климата, предложенная институтом «Бамтоннельпроект», предполагает удорожание строительства тоннеля, однако ориентирована на высокие темпы проходки, качество и безопасность проходческих работ. При этом окупаемость дорогостоящего объекта гарантируется за счет существенных сокращений расходов на его эксплуатацию с одновременным повышением безопасности обслуживающего персонала. На рис. 1.7 показан один из вариантов поперечного сечения однопутного железнодорожного тоннеля с обделкой кругового очертания.
Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность  тоннелей

Проектом предусмотрено сооружение тоннеля со сборной железобетонной обделкой повышенной водонепроницаемости внутренним диаметром 8,8 м с применением тоннелепроходческого механизированного комплекса. Как видно из рисунка, характерной особенностью тоннеля является наличие зоны безопасности для обслуживающего персонала и размещении оборудования в пределах сечения обделки.
Следует отметить, что и для тоннелей большого сечении (двухпутных железнодорожных и автодорожных), сооружаемых горным способом, в практике мирового тоннелестроения отдают предпочтение овальной форме поперечною сечения с криволинейными стенами, замкнутыми на мощную лотковую плиту или обратный свод (рис. 1.8). Такая форма поперечного сечения большепролетных выработок целесообразна не только для повышения устойчивости выработки при проходке, но и обеспечивает эффективную работу конструкции в широком диапазоне инженерно-геологических условий.
Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность  тоннелей

Особенности профиля транспортных тоннелей отражаются не только на скорости движения по тоннелю, но и на решении вопросов вентиляции. Односкатные тоннели хорошо проветриваются естественной тягой. Однако в осенне-зимний период в них раньше образуются наледи, а весной за счет свободного проникновения теплого воздуха эти наледи быстро оттаивают. Двухскатные тоннели на кривых участках, также, как и двухпутные, при естественном побуждении проветриваются значительно хуже. Поэтому они требуют сооружения вентиляционных систем (установок на порталах или в стволах). Наряду с необходимостью эффективного решения проблемы вентиляции тоннелей в суровых климатических условиях, попутно возникают проблемы борьбы с обледенением не только в самих тоннелях, но и в вентиляционных выработках. Недостатки изысканий и прогноза водопритоков в тоннели в отдельных случаях приводят к ошибочным проектным решениям при разработке схемы размещения дренажных и водоотводных устройств по длине тоннеля. Неэффективная работа системы водоотвода требует значительных затрат на борьбу с обводнением и наледеобразованием в действующем тоннеле.
Производственные дефекты, являющиеся следствием низкого качества строительства, снижают эксплуатационную надежность действующих тоннелей. Качество строительных работ при сооружении тоннелей оценивают в зависимости от степени приближения совокупности параметров сооружения или его элементов, полученных в ходе строительства. требованиям, установленным проектом, строительным нормам и правилам, стандартам, техническим регламентам и другими нормативными документами.
Случайные отступления в натуре от проекта практически неизбежны, однако некоторые из них ухудшают условия эксплуатации тоннеля. Так, значительные переборы грунта на отдельных участках по периметру обделки при буровзрывном способе проходки приводят к концентрациям напряжений и появлению трещин в обделке. Отклонение от кругового очертания в сборных обделках (эллиптичность колец) заметно снижает их несущую способность. Наличие пустот за обделкой, помимо геологических факторов (карстовые образования, растворимые грунты и др.), зависит от качества нагнетания цементно-песчаною раствора за обделку.
Опыт эксплуатации тоннелей показывает, что появление сколов и интенсивного трещинообразования в бетонной обделке свидетельствует, как правило, о наличии пустот »а ее наружной поверхностью. Плотный контакт обделки с окружающим грунтом обеспечивает их совместную работу по всему периметру, сводя к минимуму деформацию обделки и возможность концентрации напряжений в ее сечениях. Нагнетание, заполняй трещины и небольшие пустоты в прилегающем к обделке массиве, существенно влияет на величину упругого отпора грунтa, что непосредственно связано с условиями статической работы обделки. Кроме того, заобделочные пустоты возникают в результате гниения оставленных зa обделкой элементов временной деревянной крепи или забутовки переборов и вывалов. Пустоты могут со временем в значительной степени ухудшить условия работы обделки, вызвать развитие опасных дефектов. Нарушения геологического строения массива при допущении вывалов и обрушения кровли выработки при проходке со сдвижкой слоев и разуплотнением массива также могут ухудшить условия последующей эксплуатации тоннеля.
Нарушение технологического регламента при возведении обделки тоннеля из монолитного бетона чаше всего проявляется при перерывах в процессе бетонирования. «Холодные швы» являются одним из основных путей проникновения воды через обделку при отсутствии наружной гидроизоляции. В случаях технологических перерывов в бетонировании необходимо предусматривать надлежащую герметизацию швов применением «шпонок» или уплотняющих мастик, набухающих в присутствии воды. К сожалению, в подавляющем большинстве тоннелей, эксплуатируемых в настоящее время, указанное техническое решение не использовалось, и не используется в настоящее время при ремонте холодных и деформационных швов.
Повышение качества бетона достигается также за счет применения промытых фракционированных крупных заполнителей, дозируемых раздельно, неорганических или органических добавок, повышающих плотность, водонепроницаемость и морозостойкость возводимых конструкций, надлежащего операционного и выходного контроля при изготовлении и укладке бетона, тщательного ухода за ним и обеспечения благоприятных условий твердения. Для достижения высокого качества бетона в обделке бетон за опалубку следует подавать бетононасосами.
Эксплуатационный режим тоннелей (род тяги на железнодорожных магистралях, интенсивность движения поездов и автотранспорта в автодорожных тоннелях, установленные скорости движения и др.) влияют на условия работы всего сооружения и его техническое состояние. Выхлопы двигателей внутреннего сгорания вредно воздействуют на бетон, вызывая химическое разложение и постепенное отслаивание обделки. Электрическая тяга, создающая блуждающие токи, вызывает коррозию металлических элементов пути, чугуна и арматуры железобетонной обделки, а также других металлических конструкций и устройств.
При этом скорость деградационных процессов зависит не только от интенсивности движения поездов, но и от условий, усугубляющих эти процессы: обводненности конструкций и высокой влажности тоннельной атмосферы, плохого проветривания, несвоевременного устранения дефектов, проведения осушительных мероприятий и технического обслуживания обустройств. В свою очередь, повышенная интенсивность движения в тоннелях затрудняет текущее содержание тоннелей и не позволяет своевременно проводить ремонтные работы, которые выполняются в «окна» (перерывы в графике движения поездов). При интенсивном движении поездов продолжительность окон, их число в сутки сокращается, поэтому сроки проведения ремонтных работ откладываются «до лучших времен». Такое несвоевременное выполнение ремонтных работ, естественно, негативно скажется на уровне технического состояния тоннельного пересечения.