Особенности эксплуатации транспортных тоннелей в районах сурового климата

Наиболее существенное влияние на долговечность и эксплуатационную надежность тоннелей оказывает действие низких отрицательных и знакопеременных температур воздуха в сочетании с обводнением. Именно в результате воздействия этих факторов на ряде сооружений введены ограничения скорости движения поездов, значительно снижена пропускная способность из-за обмерзания тоннелей в периоды зимних холодов. Негативное воздействие отрицательных температур проявляется не только и северных районах, но и и областях с относительно мягким климатом, например, на Урале или и горах Кавказа.
Последствия воздействия низких температур воздуха и волы на общее состояние тоннельных конструкций и обустройств разнообразны. К наиболее существенным, угрожающим безопасности движения поездов, относятся:
• образование наледей, вызывающих ускоренное разрушение обделки и пути, нарушающих габариты тоннеля;
• перемерзание дренажных и водоотводных устройств, вызывающих выход наледей на путь;
• морозное пучение грунтов, создающее дополнительное давление на конструкции обделки и верхнего строения пути;
• появление в обделке значительных температурных напряжений, вызывающих деформации и разрушение конструкций.
Недоучет специфических особенностей сурового климата приводит к тому, что практически сразу же после ввода тоннеля в эксплуатацию приходится выполнять значительные объемы ремонтно-оздоровительных работ. Воздействие знакопеременных температур ведет к разрушению тоннельных обделок, выходу из строя дренажных и водоотводных устройств, вызывает необходимость досрочного ремонта или реконструкции отдельных участков тоннелей. В результате в большинстве тоннелей, эксплуатируемых в районах с суровым климатом, действуют ограничения скорости движения поездов, а для ремонта конструкций и борьбы с наледями приходится предоставлять внеплановые «окна» и расходовать значительные трудовые и материальные ресурсы для устранения дефектов.
В бетонных обделках тоннелей железнодорожной линии Абакам — Тайшет уже за первые 5—7 лет эксплуатации возникло множество серьезных дефектов, в большей степени за счет воздействия низких температур воздуха в сочетании с интенсивным обводнением. Опыт эксплуатации тоннелей в таких условиях показывает, что затраты на периодический ремонт за многолетний период эксплуатации некоторых тоннелей старой постройки соизмеримы и даже превышают затраты на сооружение нового тоннеля.
При современном развитии техники и технологии строительства тоннелей, наличии обширной номенклатуры строительных и гидроизоляционных материалов в большинстве случаев более оправдана концепция увеличения разовых затрат на строительство тоннельного пересечения с целью снижения в дальнейшем эксплуатационных расходов.
Наледи в тоннелях. Наледь — ледяное образование в месте течи или капежа. Наледь может быть действующей (активной), когда приращение тепла от источника превышает его теплопотери и идет процесс нарастания объема льда. Действующую наледь оценивают габаритными размерами и объемом вырубаемого льда. Недействующая наледь — состояние, при котором объем льда не увеличивается. Источник притока воды может полностью прекратить функционирование до момента оттаивания наледи или продолжать действовать под слоем льда.
Крупные течи с большими дебитами могут образовывать наледи, действующие в течение всей зимы, доставляя множество проблем эксплуатационникам. В начальный период наступления холодов в наибольшей мере подвергается обмерзанию обделка припортальных колец тоннелей, находящихся под воздействием внешней среды с низкой температурой. Затем портальные участки грунтового массива промораживаются. перекрывая выход грунтовым водам и смещая зону активного наледеобразования к середине тоннеля (рис. 4.12).

В эксплуатационной практике известно немало случаев длительных перерывов в движении поездов, вызванных интенсивным на-ледеобразованием. Борьба с наледями и обводненностью тоннелей приобрела особую актуальность в связи с переходом на электротягу, так как лаже небольшие струйные течи и незначительные наледи могут привести к короткому смыканию. Наледи-сосульки в своде тоннеля создают угрозу поломки токоприемников электровозов и утечки тока из контактной сети с угрозой для жизни и здоровья людей (рис. 4.13).

Для обеспечения безопасности движения поездов тоннельным бригадам приходится иногда несколько раз в сутки удалять эти наледи и вывозить лед за пределы тоннеля. Наледи в виде сосулек, свешивающихся со сводов и стен тоннеля, сбивают шестами. В электрифицированных тоннелях их удаляют с дрезин, оборудованных изолированными вышками. Наледи, образующиеся на пути и у стен тоннеля, удаляют ручной или механизированной окирковкой. В зависимости от объема окиркованного льда последний вывозят за пределы тоннеля рабочими поездами. На эти работы иногда задействуют значительные силы.
Образование наледей существенно активизируется с началом перемерзания дренажных и водоотводных устройств. Способы осушения тоннелей с помощью заобделочных дренажей, дренажных прорезей, каптажных скважин, оправдавшие себя в условиях умеренного климата, оказались неэффективными в тоннелях, расположенных в районах сурового климата. Большое значение дли уменьшения наледеоброзования на своде тоннеля имеет своевременная очистка ото льда дренажных устройств или их утепление, что способствует отводу подземных вод к водоотводным лоткам. Во избежание образования крупных наледей выходы заобделочных дренажей утепляют листами вспененным или экструдированным пенополистеролом.
Эффективность функционирования дренажных устройств существенно повысилась, когда с 70-х годов прошлого века их вынесли за обделку тоннеля вне зоны сезонного промерзания фунтов. С этого же времени стали применять электропрогрев лотков точечными электронагревателями — трубчатыми (TЭН), а затем — греющими кабелями и лентами. Одновременно для тепловой защиты водоотводных лотков стали применять конструктивное утепление сначала шлаковыми засыпками, а затем — пенопластом. Однако конструктивное утепление лотков без дополнения электропрогревом, как правило, недостаточно эффективно.
Практика эксплуатации тоннелей в районах суровою климата показала, что наиболее радикальным мероприятием в борьбе с отрицательными последствиями обмерзания тоннелей является их капитальный ремонт, чтобы ограничить поступление воды к тоннелю с устройством гидроизоляции обделки.
Температурные напряжения в тоннельной обделке. Вследствие значительных перепадов знакопеременных температур внутритоннельного воздуха и, соответственно, тоннельной обделки в последней возникают растягивающие напряжения, превышающие иногда предел прочности бетона на растяжение. Это приводит к разрыву сплошности конструкции с образованием трещин разнообразной ориентировки. Отрицательные температуры вызывают раскрытие уже имеющихся трещин, а положительные — способствуют их смыканию. Большое значение имеет разность температуры обделки на ее внутренней и внешней поверхности — на контакте с грунтом. Ho данным исследований В.П. Казакова установлено, что на внутренней поверхности бетонной обделки толщиной 500...600 мм развиваются растягивающие напряжения 0,4 МПа на 1 °C разницы температуры между ее внутренней и внешней поверхностями. Наиболее активное развитие таких напряжений приурочено к припортальным участкам, где существенно влияние наружного воздуха.
Одной из причин трещинообразования является наличие жесткого контакта между фунтом и обделкой, что при изменении температуры приводит к напряжениям «стеснения», т.е. напряжениям, возникающим вследствие «защемления» внешней поверхности обделки. Кроме того, чем меньше толщина обделки, тем при прочих равных условиях ниже возникающие в ней температурные напряжения. Отсюда следует, что уменьшить величину температурных напряжений возможно путем снижения степени сцепления на контакте обделки и вмещающим тоннель фунтом за счет нанесения на поверхность выработки пограничного слоя, уменьшения толщины обделки, введения добавок, увеличивающих прочность бетона на растяжение и уменьшающих модуль упругости бетона.
В северных районах Японии распространены теплоизоляционные покрытия тоннельных обделок, особенно вблизи порталов, для предотвращения трещинообразования и наледеобразования. Следует отметить, что устройство в последнее время гидроизоляционных пленок на внешней поверхности обделок строящихся тоннелей фактически реализует одну из приведенных выше рекомендаций.
Морозное пучение грунтов за обделкой. Скопления подземных вод в прорезаемых тоннелями фунтах могут привести в зимний период к увеличению объема линз, склонных к пучению фунтов, а при опаивании — к просадкам и разжижению пород, слагающих основание тоннельной обделки. Ряд наблюдавшихся в эксплуатируемых тоннелях деформаций в виде просадок стен и разрушений обратных сводов является следствием периодического действия сил пучения, величина которых может превышать величину прогнозируемого при проектировании горного давления.
Процесс пучения с наибольшей интенсивностью проявляется в пылеватых и лессовидных фунтах. Пройденные тоннельной выработкой глинистые фунты приобретают способность пучения лишь по прошествии нескольких лет, необходимых для утраты их водонепроницаемых свойств под действием периодического размораживания. Интенсивность пучения наряду с фанулометрическим и минералогическим составом грунтов зависит и от структуры последних, а также от гидрогеологических и температурных условий выработок. Помимо обычных отрицательных воздействий, оказываемых на железнодорожный путь на открытых участках дороги, пучение фунтов в тоннелях может привести к серьезным деформациям обделки с нарушением габарита.
Время появлений деформаций морозного пучения и динамика их развития зависят от условий промерзания массива, глубины заложения пучинистых фунтов. При расположении таких фунтов в приконтурных слоях морозное пучение проявляется в начале зимы и развивается по мере увеличения промерзшего слоя до границы непучинистых грунтов. Если же пучин истые грунты удалены от контура тоннеля, то пучины проявляются позже. Балластное пучение появляется, как правило, в начале зимы при переувлажнении балласта. Такие пучины могут достигать 25...30 мм.
Наибольшие деформации пучения грунта за обделкой наблюдаются в зимний и весенний период в виде перемещения стен внутрь тоннеля. Деформации обделки могут достигать 150...200 мм и являться причиной нарушения нормальной эксплуатации тоннеля и разрушения обделки. Особенно опасны неравномерные деформации, причинами которых являются неоднородность состава и сложения пучинистых грунтов, неравномерность увлажнения и промерзания грунтов из-за различия гидрогеологических условий подлине тоннеля.
Предотвратить глубокое сезонное промерзание грунтов при эксплуатации тоннелей в условиях Сибири практически невозможно. Поэтому основные мероприятия по предотвращению негативных последствии морозного пучения должны быть предусмотрены в проекте. К таким мероприятиям относится применение обделок замкнутого очертания (подковообразных с обратным сводом или круговых), а также устранение обводненности пучинистых грунтов. Первоочередным мероприятием, выполняемым во всех случаях проявления пучения в эксплуатируемых тоннелях, является приведение в порядок балластной призмы, обочин и лотков, а также планировка поверхности основной площадки с целью обеспечения быстрого отвода подземных вод в тоннельный лоток.
Опыт эксплуатации тоннелем в районах с суровым климатом показывает, что если своевременно не повышать эффективность мероприятий по борьбе с неблагоприятными факторами, трудности их содержания существенно возрастают. К таким мероприятиям относятся снижение обводненности тоннеля и тепловая защита тоннеля. Мероприятия но снижению обводненности эксплуатируемого тоннеля относятся к работам по капитальному ремонту тоннеля и освещены в соответствующем разделе учебника.
Тепловая защита тоннелей. Первые попытки тепловой защиты тоннелей, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, были предприняты в начале XX века. С этой целью применяли отопление большими железными печами, устанавливаемыми внутри тоннеля, а порталы оборудовали брезентовыми завесами.
В настоящее время методы и средства тепловой зашиты претерпели серьезные изменения. Долгое время оставалась неразрешенной проблема перемерзания водоотводных лотков. Сначала для обогрева внутри них укладывали трубы, по которым подавали горячую воду или пар от котельных, сооружаемых у порталов. С такой системой обогрева водоотводных лотков эксплуатировались многие тоннели, но трубы быстро корродировали и выходили из строя. В середине 60-х годов для обогрева лотков стали применять трубчатые ТЭНы.
Опыт применения ТЭНов для обогрева лотков выявил ряд недостатков. связанных с их конструктивными особенностями и условиями формирования водотока в лотках. Во-первых, нагревающий элемент ТЭНа должен быть полностью покрыт слоем воды, иначе при оголении он выходит из строя из-за быстрого перегрева. Поэтому в водоотводных лотках, где недостаточна глубина водного потока, устраивают платину, за которой с верховой стороны устанавливают ТЭН. Во-вторых, снижение уровня протекающей по лоткам воды из-за сезонных или других колебаний водопритоков к тоннелю также является причиной выхода из строя ТЭНов, увеличивающей риск замерзания воды при недостаточно эффективном точечном обогреве.
Поэтому в середине 1970-х годов система обогрева водоотводных лотков получила более совершенное решение — линейные нагревательные элементы в виде греющих кабелей и лент. Первый опыт обогрева воды в водоотводных лотках с использованием геофизического каротажного кабеля типов КГЗ и КГШ, подключенного к сварочному трансформатору, был получен в Нагорном тоннеле на БАМе. Кабель со стальными жилами в резиновой оболочке от протекающего тока нагревался до температуры 60...80 °C и не выходил из строя, даже если не был покрыт водой. Путем подбора длины кабеля и соответствующей силы тока были получены оптимальные уровни теплоотдачи с его поверхности для различных гидрологических условий лотков по длине тоннеля.
Несколько позже для решения аналогичных задач в тоннелях были применены греющие ленты. Преимуществами нагревательных лент являлись электробезопасность и эластичность. В настоящее время во всех вновь строящихся тоннелях предусматривают электрообогрев водоотводных лотков с использованием греющего кабеля и автоматического регулирования температуры нагрева. Как правило, кабель укладывают по дну лотков и покрывают цементно-песчаной стяжкой для зашиты от механических повреждений во время очистки от наносов (рис. 4.14).

Для регулирования тепловентиляционного режима протяженных тоннелей применяют конструктивные и технологические меры. К конструктивным мероприятиям относят утепление обделки теплоизоляционными материалами, устройство механических портальных затворов, термоизолирующих зонтов. За рубежом в последнее время стали применять так называемые адиабатические обделки — многослойные конструкции с теплоизоляцией, устраиваемой по внутренней поверхности, или промежуточным слоем между первичной и вторичной обделками. В качестве утеплителя используют рулонные и листовые синтетические материалы (пенополиэтилен, пеноуретан, минеральную вату с оболочкой из металлической фольги и др.). К технологическим мероприятиям относятся устройство тепловоздушных завес, подогрев и рециркуляция вентиляционных воздушных потоков, терморегулирующие зонты. Технологические мероприятия регулирования температурного (теплового) режима тесно связаны с вопросами вентиляции, поэтому их необходимо рассматривать совместно, используя термин «тепловентиляционный режим».

Современные системы СЦБ и надежная элементная база позволяют (в исключительных случаях) дли сохранения положительного температурного режима в тоннелях и метрополитенах использовать воздушные завесы и ворота. Так, в Северо-Муйском тоннеле (длина 15370 м) на порталах установлены раздвижные ворота, а за ними внутри тоннеля размешены воздушные завесы (рис. 4.15). Забор воздуха в завесу осуществляют из тоннеля и вентиляционных стволов и подают его через транспортно-дренажную штольню, дополнительно осушая и подогревая калориферами (рис. 4.16). Открывание и закрывание ворот выполняется автоматически по команде СЦБ. Полотна ворот изготовлены из легких материалов. Поэтому в аварийной ситуации при наезде на них вреда локомотиву не причиняется. За весь период эксплуатации данной системы обогрева аварийных ситуаций не случилось.