Основные понятия и определения эксплуатационной надежности транспортных тоннелей

Эксплуатационная надежность транспортного тоннеля заключается в его способности выполнять на протяжении длительного времени (до 150 лет) заданные функции, сохраняя при определенных условиях свои технические характеристики в установленных пределах. К основным функциям относится безопасный и бесперебойный пропуск грузового и пассажирского транспорта с заданными параметрами подвижного состава или типами автомобилей, сохраняя пропускную способность, установленную на участке тоннельного пересечения.
Проблема обеспечения надежности транспортных тоннелей включает широкий круг вопросов, которые решаются а процессе работы над проектом, в период строительства и последующей эксплуатации. Одной из важнейших составляющих решения проблемы является систематизация и обобщение опыта организационно-технических мероприятий, которые проводят в период эксплуатации тоннеля, с последующей оценкой эффективности этих мероприятий.
Основные понятия, определяющие степень надежности сооружения, — работоспособность и отказ.
Работоспособность (работоспособное состояние) — это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической или проектной документации. Соответственно неработоспособность — состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-техническом или проектной документации. Для сложных или протяженных объектов возможно деление неработоспособных состояний. При этом из множества неработоспособных состояний выделяют частично неработоспособные состоянии, при которых объект способен частично выполнять требуемые функции.
С терминами работоспособность и неработоспособность связано следующее определение: отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособною состояния объекта вследствие недопустимого изменения его параметров. Возможность возникновения отказа сооружения и его вероятность устанавливается исходя из анализа ситуаций, ведущих к отказу. Анализ этих ситуаций строится на основе материалов, полученных в процессе содержания тоннеля.
Содержание тоннеля предполагает надзор и организацию текущих, профилактических и ремонтных работ. Надлежащее содержание тоннеля в процессе эксплуатации обеспечивает безаварийное и безопасное функционирование всех тоннельных конструкций, систем и обустройств с сохранением их работоспособности в течение всего жизненного цикла сооружения.
В практической деятельности транспортным тоннелем называют инженерное сооружение, возведенное в толще грунтового массива, связанное выходами с поверхностью и предназначенное для пропуска транспортных средств. Однако транспортный тоннель является частью железнодорожной или автомобильной магистрали и, помимо основного сооружения, предназначенного для пропуска транспорта через препятствие, включает целую систему подземных и наземных объектов, которые обеспечивают ее нормальное функционирование. Поэтому такой сложный комплекс сооружений, устройств и различного рода инженерных систем па участке транспортной магистрали приобретает более широкое понятие — «тоннельное пересечение». Его основным сооружением является транспортный тоннель (тоннели) (рис. 1.1).

Тоннельное пересечение с протяженными железнодорожными или автодорожными тоннелями при современных требованиях безопасности может состоять из двух параллельных тоннелей, каждый из которых предназначен для движения в одном направлении. Тоннели связывают между собой аварийными сбойками через 250...300 м. Кроме того, в средней части трассы устраивают пункты аварийной остановки. связанные с поверхностью вертикальными или наклонными ходами. Показателен в этом отношении самый протяженный в мире (57 км) Сен-Готтардский железнодорожный тоннель (Швейцария), окончание строительства которого планируется и 2012 г. Он предназначен для пропуска пассажирских поездов со скоростью 250 км/ч и грузовых — 160 км/ч (рис. 1.2).

В мировой практике строительства протяженных транспортных тоннелей в ряде случаев между двумя параллельными тоннелями располагают так называемый сервисный тоннель меньшего диаметра. Такое же решение было предложено при рассмотрении по заданию Госстроя РФ тоннельного варианта пересечения железнодорожной магистралью Берингова пролива (на Аляску) и варианта автодорожного тоннельного пересечения реки Невы в Санкт-Петербурге.
На рис. 1.3 приведена схема самого протяженного в России тоннельного пересечения Северо-Муйского хребта на Восточно-Сибирской железной дороге. В комплекс сооружений тоннельного пересечения входят: однопутный железнодорожный тоннель протяженностью 15,3 км, разведочная транспортно-дренажная штольня, дополнительные дренажные штольни, четыре шахтных ствола глубиной 301, 318, 157 и 256 м, подходные околоствольные выработки длиной соответственно 53, 90, 1067 и 250 м с выходом через штольню в основной тоннель.
Таким образом, под тоннельным пересечением следует понимать совокупность основных и вспомогательных сооружений, объектов и различного рода технических обустройств, функционально взаимно связанных и обеспечивающих эксплуатацию этих сооружении на соответствующем техническом уровне.

Технический уровень тоннельного пересечения — степень соответствия нормативным требованиям постоянных (не меняющихся в процессе эксплуатации или меняющихся только при реконструкции или ремонте) объемно-планировочных, геометрических и других характеристик всех входящих в тоннельное пересечение сооружений и обустройств. После сдачи в эксплуатацию технический уровень тоннельного пересечения в целом должен соответствовать всем нормативным требованиям, обеспечивающим его функционирование без необходимости введения каких-либо ограничений и ремонтных мероприятий для обеспечения безопасной эксплуатации. Если в результате внешних воздействии в сооружении и его отдельных подсистемах происходят отказы, то технический уровень тоннельного пересечения снижается. Дальнейшая эксплуатация требует введения соответствующих ограничений (скорости движения транспорта, габарита перевозимого груза и др.) либо выполнения капитального ремонта или реконструкции.
Техническим уровень тоннельного пересечения определяется его техническим состоянием, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект. Определение (оценка) технического состояния объекта носит название техническое диагностирование. Понятие техническая диагностика включает теорию, методы и средства определения технического состояния объекта.
Технический уровень тоннельного пересечения снижается в процессе эксплуатации вследствие образования различного рода дефектов.
Дефект — каждое отдельное несоответствие конструкции (элемента) установленным требованиям. В зависимости от причины возникновения, дефекты разделяют:
• на конструктивные, связанные с несовершенством или нарушением установленных правил и норм проектирования, расчетов и конструирования;
• производственные — связанные с нарушением установленного процесса строительства или ремонта;
• эксплуатационные — связанные с нарушен нем установленных правил или условий эксплуатации;
• деградационные — обусловленные естественными процессами старения, износа, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.
Своевременное обнаружение и предупреждение развития дефектов основных и обеспечивающих сооружений тоннельных пересечений является главной задачей содержания, обусловливающей их эксплуатационную надежность.
Опыт содержания железнодорожных и автодорожных тоннелей показывает, что важным условием обеспечения высокого технического уровня тоннельных пересечений является в первую очередь изучение и анализ возможных причин, прямо или косвенно влияющих на работоспособность тоннельных конструкций. Пренебрежение анализом причин или недооценка последствий воздействия негативных факторов на тоннельные конструкции неизбежно ограничивает работоспособность сооружения, увеличивает вероятность принятия малоэффективных, а в отдельных случаях — и ошибочных технических решений, приводящих к тяжелым последствиям, включая человеческие жертвы.