Наблюдения за техническим состоянием тоннельных конструкций и обустройств

Очевидно, что постоянный технический надзор, текущие и периодические осмотры являются профилактическими мероприятиями, призванными путем систематического наблюдения за техническим состоянием тоннельного пересечения обеспечить его безопасное функционирование. Наблюдения ведут за проявлениями деформаций всех несущих конструкций объекта, за обводненностью тоннеля и состоянием прилегающего к тоннелю фунтового массива, за габаритами тоннеля и состоянием верхнего строения пути. Постоянно контролируют вентиляционные устройства и состояние воздуха в тоннеле, исправность освещения, сигнализации и связи.
Наблюдения за повреждениями несущих конструкций. Наблюдения за дефектами тоннельной обделки, как правило, устанавливают на тех участках тоннеля, где при первичном осмотре выявлены дефекты. Все замеченные повреждения (фильтрация воды и выщелачивание бетона, трещины, раковины, разрушения отдельных участков монолитной обделки или стыков сборной, разрушение защитного слоя, обнажения и коррозия арматуры и закладных деталей, пятна ржавчины на бетонной поверхности, значительные деформации, обнаруженные невооруженным глазом) наносят на развертку тоннельной обделки с указанием даты их обнаружения (рис. 4.1). Необходимо фиксировать участки бетонной поверхности с пятнами ржавчины, которые являются очагами разрушения бетона вследствие коррозии арматуры. Особое внимание необходимо уделять тщательности зарисовки трещин с указанием их ориентации и фиксации таких параметров, как длина и величина раскрытия.

Наблюдение за характером развития трещин в обделке ведут при помощи гипсовых маяков. Устанавливать цементные маяки не рекомендуется, гак как адгезия цемента с бетоном обделки может оказаться меньше, чем прочность перемычки над трещиной, и сдвиг марочки произойдет без разрушения перемычки. Маячки устанавливают по всей длине трещины примерно через 1 м. При этом обязательно наличие маячков в начале и конце трещины. Маячки представляют собой плоские гипсовые накладки в виде двух сопряженных вершинами треугольников, располагаемых таким образом, чтобы исследуемая трещина пересекала перемычку в месте сопряжения треугольников (рис. 4.2.)

На поверхности маяков обозначают дату и порядковый номер. Дальнейшее развитие наблюдаемой трещины определяют по размерам возникающих разрывов и измерением длины от ранее установленной конечной марки. Концы вновь обнаруженных трещин помечают масляной краской с установкой контрольных маяков. Интенсивность развития трещиноватости определяют на основе длительных наблюдений.
Состояние обделки проверяют визуально и выборочным остукиванием сомнительных мест, производя работы с передвижных подмостей и приставных лестниц. Помимо выявления мест слабого поверхностного слоя бетона при остукивании обнаруживают заобделочные пустоты по возникающему в этих местах характерному глухому звуку. При обнаружении видимых невооруженным глазом деформаций или смещений необходимо выполнить нивелировку по маркам, которые закладывают в обделку тоннеля.
Весьма важно вести наблюдение за техническим состоянием оголовков и порталов тоннеля. К их текущему содержанию предъявляют те же требования, что и к тоннельной обделке. Являясь по существу ее последним звеном, выходящим на поверхность, портал работает как подпорная стенка, удерживая лобовой и боковые откосы выемки. В жестком контакте с последним звеном тоннельной обделки портал работает как пространственная конструкция в сложном напряженном состоянии, воспринимая неравномерные и значительные по величине нагрузки, и при лом в большой степени подвержен негативному воздействию природных факторов.
Обнаруженные в бетоне портала незатухающие трещины могут сигнализировать о начале оползневого процесса. Наблюдаемые на фасадной стороне порталов натеки и загрязнения в большинстве случаев оказываются следствием неудовлетворительной работы надтоннельного лотка или канавы, принимающих поверхностный сток с лобового откоса выемки.
Пиши и камеры в тоннеле по ранее действовавшим Техническим условиям требовалось устраивать в тоннелях длиной 250 м и более. Полому многие старые тоннели длиной до 250 м не имеют ниш, что противоречит современным требованиям. В таких тоннелях в плановом порядке устраивают необходимое число ниш для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
Распространенными повреждениями ниш и камер, вызываемыми горным давлением, являются трещинообразование и разрушение бетона обделки, чаще всего в подошве ниш и камер. По характеру трещин, возникающих на стенах ниш и камер, можно судить о причинах деформаций. Расширяющиеся кверху трещины свидетельствуют о вертикальной осадке обделки без бокового смещения. Трещины, уширяющиеся книзу, являются, как правило, следствием смешения обделки в сторону пути от бокового давления грунтов. Появление трещин в подошвенных конструкциях ниш и камер тоннелей свидетельствует о пучении грунта. При возникновении деформаций обделки ниши или камеры, ее заменяют более мощной.
Наблюдения за обводненностью тоннелей. Одной из основных задач текущего содержания тоннелей является наблюдение за его обводненностью и гидрологическим режимом, поскольку подавляющее большинство дефектов тоннельных конструкций и обустройств вызваны проникновением воды в тоннель. В результате наблюдений определяют наиболее обводненные участки тоннеля и дефекты, вызванные подземными водами. Осуществляется документальная привязка водопроявлений к существующему пикетажу или кольцам тоннеля с составлением карт обводненности. Эти карты обычно совмещают с картами дефектов обделки (см. рис. 4.1) Водопритоки фиксируют по дренажным скважинам в камерах заобделочного дренажа, заобделочным дренажным прорезям, на участках сосредоточенных течей в обделке (по трещинам, незаполненным шпурам и скважинам), стыкам между элементами сборной обделки, дренажным скважинам в штольнях, сбойкам между тоннелями, между штольней и тоннелем, около шахтных стволов. Нарушения гидроизоляции, если таковая предусмотрена в проекте, определяют по наличию течей, капежа, мокрых пятен, ржавых потеков, выноса фунта и выщелачивания бетона с образованием сталактитов и сталагмитов.
Наблюдение включает в себя гидрометрические работы, связанные с измерением расхода воды в лотках как на отдельных участках тоннеля, так и в целом по тоннельному пересечению на порталах и выпусках из подкюветного дренажа. Дебит сосредоточенной течи из обделки или дренажной скважины, как правило, легко измерить мерным сосудом, за исключением слабой течи из стены, растекающейся по поверхности обделки. При визуальной оценке интенсивности капежа иногда используют формулировки, страдающие определенным субъективизмом. Например, сильный или слабый капеж, частый или редкий капеж. В практических условиях, кроме факта поступления воды в незначительном объеме, такие уточнения не имеют смысла, если это не влияет на работ у электрических систем и оборудования и не является причиной образования наледей в зимний период.
Для систематических измерений суммарного притока волы в лоток в качестве гидрометрических створов используют смотровые колодцы. Расход воды на створах определяют путем промера глубин с помощью мерной рейки и измерения скорости течения воды в водном сечении лотка гидрометрической вертушкой. На практике для измерения скорости течения часто используют поплавки с фиксацией времени их сплава между смотровыми колодцами. Расход воды Q(м3/ч) вычисляют как произведение площади водного сечения F(м2) на скорость течения V (м/ч).
В тоннелях значительной протяженности, пройденных в сложных гидрогеологических условиях, с системой дренажных сооружений для снижения обводненности тоннеля водопритоки могут достигать значительных величин. Так, поданным Тоннельно-обследовательской станции. в Северо-Муйском тоннеле протяженностью 15,3 км суммарный объем водопритока в 2004 г. составил 13 265 м3/ч, в 2005 — 12 875, в 2006 — 11 847 м3/ч. При обследовании систем водоотвода и дренажа в зимний период определяют объем наледей на стенах и в лотковой части тоннеля, фиксируют появление сосулек в своде тоннеля.
Наблюдение за состоянием надтоннельной поверхности, дренажных и водоотводных устройств. В тоннелях, построенных до 90-х годов прошлого века, с устройством пути на балласте лотки устраивали из сборных железобетонных элементов, бетонной или бутовой кладки с перекрытием сверху бетонными плитами. В последующие годы, с укладкой пути на жестком бетонном основании, лотки устраивают в теле путевого бетона, располагая дно лотка на поверхности обратного свода. Любые нарушения нормальной работы лотков вследствие, например, появления силовых трещин и трещин по холодным швам, загромождения наносами или балластом (при устройстве пути на балласте) могут привести к утечке отводимых вол в балластную призму, под путевой бетон и вызвать деформации обратных сводов или распорных плит тоннеля.
Поэтому coстояние водоотводных лотков следует проверять не реже одного раза в месяц при текущем осмотре тоннеля, контролируя уровень воды в смотровых колодцах и ее расход. Снижение дебита воды в следующем по уклону колодце может указывать на утечку воды на контролируемом участке. При обнаружении хотя бы частичной утечки отводимых вод необходимо принять меры к быстрейшему устранению повреждения. В районах с суровыми климатическими условиями следует принять меры для предупреждения замерзания воды как в самом лотке, так и на выпусках за пределы портальных выемок.
В старых и вновь строящихся тоннелях воду выпускают за пределы портальных выемок по подкюветным дренажам, заглубленным ниже зоны сезонного промерзания грунтов. На порталах сброс волы из лотков в подкюветные дренажи осуществляется по быстротокам (резкое понижение отметки лотка), что увеличивает его пропускную способность на выходе, и за счет увеличения скорости потока снижает вероятность замерзания воды.
Установлено, что в районах с суровым климатом водоотводные лотки в тоннелях с дебитом менее 6 м3/ч зимой перемерзают при любом конструктивном утеплении и требуют искусственного обогрева. Эффективным способом является обогреве помощью протяженных линейных электрических нагревателей в виде греющих лент и кабелей с автоматическим контролем температуры протекающей воды.
В тоннелях без гидроизоляции большое внимание необходимо уделять очистке дренажных отверстий в обделке (на всю глубину кладки) и дренажных скважин в камерах заобделочног о дренажа. Признаком наступившего кольматажа дренажного устройства является прекращение или значительное уменьшение дебита выпускаемой воды, оно может сопровождаться увеличением площади увлажнения обделки вокруг дренажного отверстия или значительной площади поверхности обделки на участке расположения дренажа. В тоннельных лотках, проложенных на небольших уклонах и подвергающихся заиливанию наносным материалом, должны предусматриваться отстойники. Если они не предусмотрены проектом и наблюдается заиливание лотков, то целесообразно в процессе содержания устраивать отстойники через каждые 20...30 м, облегчающие периодические прочистки лотка без снятия плит покрытия на всем его протяжении.
Надзор и уход за имеющимися дренажными штольнями осуществляют в рамках общего плана содержания тоннельного сооружения. При систематических и периодических осмотрах оценивают характер и объем водопритоков как по отдельным характерным участкам, так и суммарно по штольне, эффективность работы каптажных скважин с замером расхода поступающей из них воды, надежность тепловой зашиты штолен, обеспечивающей безналедный сброс поды и исключающий наледеобразование в выработке. Возникающие повреждения или отказы следует устранить в плановом порядке. Снижение дебитов в каптажных скважинах в сочетании с обводненностью тоннельной обделки на смежных участках указывает на падение эффективности работы этих скважин.
Наблюдения за габаритами тоннеля. Наблюдения за габаритами тоннеля проводят при необходимости пропустить через нею негабаритные грузы или для проверки соответствия внутреннего очертания тоннельной обделки требованиям габарита приближения строений. При перевозке негабаритных грузов по железным дорогам России колеи 1520 мм установлены габарит погрузки и пять степеней негабаритности груза (рис. 4.3).

Для оценки габаритности тоннеля рассматривают обеспеченность пропуска грузов от нулевой до четвертой степени негабаритности включительно. При лом все обращаемые грузы не должны выходить за пределы контура, очерченного по параметрам четвертой степени негабаритности (см. рис. 4.3). Зазор между контурами габарита приближения строений и четвертой степени негабаритности является контролируемой величиной. В случае отклонения положения пути в плане могут возникнуть боковая или нижняя негабаритность, а в кривых - верхняя негабаритность. Верхняя негабаритность появляется при изменении положения пути в профиле или переходе участка дороги на электрическую тягу. В связи с этим принимают решение о способах восстановления первоначального положения пути или снижении степени негабаритности перевозимых грузов.
На практике необходимость оценки габарита тоннелей возникает достаточно часто. Поэтому на дорогах с тоннельными пересечениями должны быть необходимое оборудование и приборы для выполнения этих работ, Отечественный опыт пронерки габарита тоннелей представлен различными методиками, которые предполагают применение соответствующих устройств и приборов.
Продолжительное время для проверки габарита по тоннелю пропускали габаритную раму, установленную на железнодорожной платформе (рис. 4.4). При сравнительно небольших объемах работ использовали весьма простое измерительное устройство (рис. 4.5). которое состоит из тележки 1, установленного на ней штатива с уровнем 2 и угломером типа транспортира обращенною выпуклой стороной вниз, измерительной штанги 4. Это оборудование усовершенствовано заменой шеста лазерной рулеткой, что позволяет вести работы, не снимая напряжения в контактной сети.

В настоящее время в процессе эксплуатации тоннелей для проверки габарита применяют лазерные рулетки с программой по расчету полярных координат, современные тахеометры-полуавтоматы отечественного или зарубежного производства (в том числе роботизированные) фирм Leika, Sokkia, Topcon и др. При специальном обследовании тоннеля могут быть использованы лазерные сканеры.
В Германии дли съемок внутренних очертаний тоннельных обделок применяют модифицированную габаритную раму, которую навешивают на тележку, следующую зa тоннелеизмерительным вагоном. При помощи регулирующих приспособлений с применением натяжной пружины рама удерживается в среднем положении при любой ширине колеи как на прямых, так и на кривых участках пути. Рама оборудована механически записывающими приспособлениями, состоящими из манипуляторов, передающего и приводного механизмов. Пишущий прибор располагается в рабочем помещении тоннелеизмерительного вагона. При одной поездке могут быть одновременно получены продольные профили по обделке тоннеля на любой высоте от головки рельса.

В мировой практике широко применяют различного рода автоматические измерительные устройства. Современные методы сканирования строительных объемов, в том числе подземных выработок и тоннелей, позволяют получать координаты любых точек на поверхности обделок как в плоском, так и трехмерном отображении с высокой точностью и разрешением. Примером современного измерительного устройства служит система GRP Sistem FX фирмы Amberg на основе лазерного сканера Leika, устанавливаемого на сборной тележке массой 50 кг, которая движется по железнодорожному пути. Система позволяет в автоматическом режиме фиксировать положение пути в плане, профиле и измерять габаритные размеры сечения тоннеля, проводить визуальную фиксацию состояния обделки тоннеля и последующую обработку этой информации специально разработанными программами.
В CША наибольшее распространение получила лазерная измерительная система компании L-Kаpia. Аппаратуру системы монтируют в передней части автомотрисы на комбинированном ходу. Генерируемый излучателем луч лазера, направляемый с помощью системы отражателей, сканирует поверхность стен и свода тоннеля, давая полное представление о геометрии его поперечного сечения. Соответствующее результатам измерений изображение выводится на монитор, расположенный в кабине автомотрисы, и передается в запоминающее устройство компьютера. Затем полученные данные анализируются для определения потенциально опасных выступов, подлежащих срочному удалению. Применение лазерной измерительной системы позволило обследовать тоннель протяженностью 7,6 км за один день. В результате обзора более чем 20 млн точек была получена картина поперечных сечений обделки тоннеля. Однако лазерные сканеры достаточно дороги, а их высокая точность не всегда оказывается необходимой при установленных (до нескольких сантиметров) допусках.