Дефекты сборных железобетонных и чугунных обделок

Обделка из сборных железобетонных элементов (тюбингов или блоков) получила широкое распространение на строительстве подземных линий метрополитена, сооружаемых закрытым способом. В отечественной практике строительства железнодорожных и автодорожных тоннелей сборная обделка кругового очертания выполняется только на участках трассы, проложенной в слабых неустойчивых грунтах с применением проходческих щитов. В мировой практике при строительстве протяженных транспортных тоннелей в конце прошлого века наметилась тенденция применения тоннельно-проходческих механизированных комплексов. Проходка тоннелей с применением таких комплексов осуществляется в широком диапазоне инженерно-геологических условии с блочной железобетонной обделкой кругового очертания повышенной водонепроницаемости. Такие конструктивно-технологические решения принимаются при проектировании как железнодорожных, так и автодорожных тоннелей.
Дефекты тоннельных обделок из сборного железобетона несколько отличаются от повреждений монолитных конструкций. Это связано с особенностями конструкций и статической работы сборных обделок, как правило, кругового очертания со связями растяжения или без таковых, с центрированными или плоскими стыками. Заводское изготовление сборных железобетонных элементов позволяет обеспечивать высокие и стабильные технические параметры конструкций при строительстве.
Однако при эксплуатации в обделках из сборного железобетона часто проявляются производственные или эксплуатационные дефекты. В элементах блочной обделки или в спинках и ребрах тюбингов железобетонной обделки возможны усадочные трещины, допущенные при изготовлении сборных элементов. При монтаже обделки или транспортировке сборных элементов в забой возможны сколы кромок и углов с оголением арматуры. Из-за отступлений от технологического регламента при монтаже обделки может быть превышена допустимая эллиптичность колец, а блоки в кольце уложены с уступами. От усилий щитовых домкратов в блоках напротив уступов в смежном кольце наблюдаются косые и продольные трещины, возможны трещины и сколы в ребрах тюбингов. Эксплуатационные повреждения проявляются в виде разрушения и выпадения чеканочного материала из стыков сборной обделки, протечек подземных вод через стыки и отверстия для нагнетания растворов за обделку, в том числе с выносом грунта, трещины и разрушения бетона в местах расположения закладных деталей (рис. 3.5).

Наиболее опасны деструктивные изменения в бетоне сборных железобетонных обделок в результате коррозии, длительных знакопеременных температурных и внутренних механических усилий, приводящие к снижению несущей способности обделки и проявляющиеся в виде чрезмерных деформаций колец.
Особого рассмотрения услуживает вопрос об эксплуатационной надежности железобетонных обделок нового поколения, собранных из блоков повышенной водонепроницаемости с профильными герметизирующими уплотнителями к стыках. Герметичность обделки обеспечивается за счет сжатия профильного элемента между торцами блоков в период монтажа обделки. Этому способствует также свойство материала разбухать под воздействием воды. Профильный элемент должен удерживаться и сжатом состоянии в течение всего срока эксплуатации сооружения. Укладка колец с перевязкой радиальных (продольных) стыков уменьшает риск нарушения герметичности обделки в углах блоков. Такая обделка, обладая высокой несущей способностью, обеспечивает герметичность тоннеля даже в сильно обводненных грунтах при гидростатическом давлении до 0,5 МПа.
Однако критерием оценки эксплуатационной надежности сборной обделки, расположенной в слабых водонасыщенных грунтах, следует считать сохранность гидроизолирующих прокладок в случае раскрытия стыков между блоками в кольце или взаимного смещения смежных колеи. Поэтому эксплуатационную надежность тоннеля, пройденного в слабых водонасыщенных грунтах со сборной железобетонной обделкой, можно считать обеспеченной только при условии, если раскрытие стыков приведет лишь к частичному снижению обжатия герметизирующих прокладок между блоками, а смешение смежных колец не нарушит их целостности.
Здесь определяющими параметрами становятся допуски, ограничивающие взаимное смещение герметизирующих прокладок и степень их разуплотнения в процессе монтажа обделки и ее деформаций под нагрузкой. Только соблюдение параметров, которые определены этими допусками, может гарантировать герметичность обделки при заданном напоре грунтовых вод.
Следует иметь в виду, что требования, обеспечивающие эффективную работу герметизирующих прокладок, весьма высоки. Эти требования определяются допусками на сдвиг смежных прокладок и разуплотнение стыков, критическая величина которых измеряется миллиметрами. Однако в процессе длительной эксплуатации тоннеля в сложных инженерно-геологических условиях нельзя исключить развития таких деформаций или смещений, которые могут привести к недопустимому раскрытию стыков и нарушению гидроизоляции обделки и, следовательно, к снижению эксплуатационной надежности тоннеля. В таких условиях следует предусматривать конструктивные связи, препятствующие взаимному сдвигу блоков не только в радиальных, но и в кольцевых стыках сборной обделки.
При сооружении тоннелей в сложных и особо сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, в том числе в подводных тоннелях, применяют сборную обделку кругового очертания из чугунных тюбингов, уложенных с перевязкой продольных стыков между кольцами. Главное преимущество такой обделки при качественно выполненных проектных решениях и строительных работах заключается в высокой несущей способности и надежной гидроизоляции тоннеля, обеспечивающей долговечность и эксплуатационную надежность сооружения. Характер повреждений таких обделок связан, в основном, с недостатками конструирования, правильности учета реальных нагрузок на обделку и качества монтажа тюбингов и, кроме того, с недостаточной коррозионной стойкостью чугуна в агрессивных грунтах.
Наиболее опасны дефекты, вызванные ошибками, допущенными на стадии изыскания и проектирования. К ним относятся трещины в продольных и радиальных ребрах, в спинках тюбингов из-за несоответствия их геометрических параметров действующим нагрузкам, течи в стыках и болтовых соединениях из-за несоответствия примененного уплотнителя (герметика) величине гидростатического давления.
Основные виды производственных дефектов обделок из чугунных тюбингов проявляются в виде течей в стыках и болтовых соединениях из-за некачественной чеканки стыков и отсутствия уплотнительных шайб в болтовых соединениях. В кольцевых ребрах тюбингов oт усилии щитовых домкратов могут возникать трещины, а из-за некачественной антикоррозионной обработки — коррозия болтов. Некачественный монтаж приводит к сверхнормативной эллиптичности колеи обделки, изменяющей характер ее статической работы.
Повреждения, возникшие в процессе эксплуатации тоннеля, тесно связаны с производственными дефектами и, по существу, являются следствием их активизации со временем. К таким повреждениям относятся разрушение и выпадение чеканочного материала из стыков, разуплотнение шайб в болтовых связях, протечки подземных вод через негерметичные стыки и болтовые отверстия, зачастую с выносом грунта. Особенностью проявления эксплуатационных дефектов чугунной обделки является химическая или электрохимическая коррозия тюбингов и болтовых связей. Несвоевременные меры по предотвращению этого деградационното процесса могут привести к необратимому снижению проектных сечений тюбингов и, как следствие, к возникновению аварийной ситуации (рис. 3.6).