Мониторинг технического состояния эксплуатируемых транспортных тоннелей

Для оценки изменений количественных и качественных контролируемых параметров тоннельных конструкций и обустройств ведут их мониторинг. Важной составляющей мониторинга является предварительное специальное обследование, которое осуществляют в три взаимосвязанных этапа: подготовительные работы, предварительное (визуальное) обследование, детальное (инструментальное) обследование.
Подготовительные работы предусматривают ознакомление с объектом обследования, проектной и исполнительной документацией на конструкции и строительство тоннеля, с документацией по эксплуатации и имевшим место ремонтам и реконструкциям, а также анализ результатов предыдущих обследований.
По проектной документации устанавливают проектную организацию — автора проекта, год его разработки, конструктивную схему сооружения, сведения о примененных в проекте конструкциях, монтажные схемы сборных элементов, время их изготовления и проходки тоннеля, геометрические размеры тоннеля, его элементов и конструкций, расчетные схемы, проектные нагрузки, характеристики строительных материалов и прочее.
Поданным об изготовлении конструкций и проходки тоннеля устанавливают наименования строительных организаций, осуществлявших строительство, поставщиков материалов и конструкций, сертификаты и паспорта изделий и материалов, данные об имевших место заменах и отступлениях от проекта.
По материалам и сведениям, характеризующим эксплуатацию конструкций тоннеля и эксплуатационные воздействия, вызвавшие необходимость проведения обследования, определяют характер внешнего воздействия на конструкции, данные об окружающей среде, данные о проявившихся при эксплуатации дефектах, повреждениях и прочее.
На этапe подготовки к обследованию тоннельного пересечения на основании технического задания составляют программу работ. В ней указывают цели и задачи обследования, перечень подлежащих обследованию строительных конструкций и обустройств, отмечают места и определяют методы инструментальных измерений и испытаний. В программе также указывают места вскрытий и отбора проб материалов, исследований образцов н лабораторных условиях, перечень необходимых поверочных расчетов и др.
Предварительное (визуальное) обследование проводят для предварительной оценки технического состояния строительных конструкций по внешним при знакам и для обоснования необходимости проведения детального инструментального обследования. Основой предварительного обследования является осмотр сооружения и отдельных конструкций с применением измерительных инструментов и приборов (бинокли, фотоаппараты, рулетки, штангенциркули, щупы и прочее).
При этом выявляют и фиксируют видимые дефекты, проводят контрольные обмеры, делают описания, зарисовки, фотографии дефектных участков, составляют схемы и ведомости дефектов с фиксацией их мест и характера. Проводят проверку наличия характерных деформаций сооружения и отдельных строительных конструкций (прогибы, крены, выгибы, перекосы, разломы и др.). Устанавливают наличие аварийных участков, если таковые имеются.
По результатам визуального обследования делается предварительная оценка технического состояния строительных конструкций, которое определяется по степени повреждения и характерным признакам дефектов. Зафиксированная картина дефектов и тщательный анализ причин их происхождения в некоторых случаях могут быть достаточными для оценки состояния конструкций и составления заключения. Если результаты визуального обследования окажутся недостаточными для решения поставленных задач, то проводят детальное инструментальное обследование. В этом случае разрабатывается соответствующая программа работ.
Если при визуальном обследовании обнаруживают дефекты, снижающие прочность, устойчивость и жесткость несущих конструкций сооружения, то в программу детального обследования включают инженерно-геологические исследования. В случае выявления признаков, свидетельствующих о возникновении аварийной ситуации, незамедлительно разрабатывают рекомендации по предотвращению возможного обрушения.
Детальное инструментальное обследование может быть сплошным (полным) или выборочным в зависимости от поставленных задач, наличия и полноты проектно-технической документации, характера и степени дефектов и повреждений.
Сплошное обследование проводят, когда отсутствует проектная документация, обнаружены дефекты конструкций, снижающие их несущую способность, проводится реконструкция тоннеля или возобновляется строительство, прерванное на срок более трех лет без мероприятий по консервации. Выборочное обследование проводят при необходимости обследования отдельных конструкций и в потенциально опасных местах, где из-за недоступности конструкций невозможно проведение сплошного обследования.
Для уточнения фактических геометрических параметров строительных конструкций и их элементов, определения их соответствия проекту или отклонения от него проводят обмерные работы. При этом используют простые измерительные инструменты: линейки, рулетки, стальные струны, штангенциркули, нутромеры, щупы, шаблоны, угломеры. уровни, отвесы, луны, измерительные микроскопы. При необходимости применяют специальные измерительные приборы: нивелиры, теодолиты, дальномеры, различные дефектоскопы и прочее, а также фотограмметрию. Все применяемые инструменты и приборы должны быть проверены в установленном порядке.
В бетонных и железобетонных обделках определяют наличие трещин и измеряют величину их раскрытия. Если на контрольной гипсовой марке со временем появляется трещина, это свидетельствует о продолжающемся процессе развития трещины в обделке, и на нее должна быть установлена мерная база для определения скорости происходящих процессов.
В железобетонных конструкциях устанавливается наличие, расположение. количество и класс арматуры, признаки ее коррозии и закладных деталей, а также состояние защитного слоя. В металлических конструкциях проверяют прямолинейность сжатых стержней, наличие соединительных планок, состояние элементов с резкими изменениями сечений, фактическую длину.
В зависимости от задач обследований могут применяться различные приборы и устройства. Для оценки напряженно-деформированного состояния обделки из бетона или железобетона в действующих тоннелях применяют метод разгрузки с использованием электротензометров или фотоупругих датчиков. Метод разгрузки основан на измерении деформаций при снятии напряжений на локальном участке исследуемой конструкции, где установлен датчик, путем создания вокруг него разгрузочных щелей. При этом происходит упругое восстановление освобожденного участка до первоначального ненагруженного состояния и высвобождение деформаций, адекватных деформациям конструкции при действующих нагрузках. При известном модуле деформации бетона нетрудно вычислить напряжения на внутреннем контуре обделки.
Такая методика была использована при исследовании напряжений в бетоне обделки на некоторых участках Северо-Муйского тоннеля. Фотоупругий датчик деформаций (рис. 7.1. а) представляет собой пластинку 1 из специального оптически чувствительного материала (затвердевшей эпоксидной смолы) с наклеенными по концам накладками 2, предназначенными для крепления датчика к конструкции. На верхнюю поверхность датчика нанесена линейная шкала 3 (1 деление = 1 мм) для фиксации положения интерференционных полос. На противоположных концах шкалы имеются знаки «+» и «-» для определения знака деформаций растяжение или сжатие. Нижняя поверхность покрыта светоотражающим слоем 4.

Методика работы с фотоупругими датчиками методом разгрузки заключается в следующем. Датчик наклеивают в заданной точке исследуемого массива в направлении измеряемых деформаций, после чего фиксируют начальную картину расположения его интерференционных полос (рис. 7.1, б). Затем вблизи концов датчика перпендикулярно его оси в бетоне делают пропилы, исключающие из работы сооружении фрагмент обделки. на котором укреплен датчик. При этом видимые в лучах поляризованного света интерференционные полосы датчика перемешаются вдоль его оси в одну или в другую сторону в зависимости от вида деформации (сжатие или растяжение).
Относительная деформация фрагмента обделки при постоянной температуре вычисляется как произведение цены деления шкалы по деформациям на разность величин, которые были зафиксированы на шкале датчика при положении полосы до и после выполнения разгружающих пропилов. Цену деления полосы датчика определяют по результатам лабораторных тарировочных испытаний, проводимых на бетонных образцах-призмах путем одновременной фиксации деформаций бетона фотоупругим датчиком и деформометром (или тензодатчиком) в процессе нагружения призмы в прессе.
Для достоверного определения величины относительных деформаций методом разгрузки необходимо прежде всего с достаточно высокой степенью достоверности определить деформационные характеристики материала обделки. При обработке результатов измерений должны быть учтены температурные деформации датчика.

Мониторинг за деформациями обделки в действующих тоннелях удобно вести с помощью механических съемных деформометров с индикаторами часового типа, периодически измеряя длину мерной базы, фиксированную между запрессованными в конструкцию стальными маячками. С помощью механического деформометра исследуют также динамику раскрытия стыков сборной железобетонной обделки, измеряя расстояние между маячками, запрессованными но разные стороны стыка. Для этой цели используют также штангенциркуль (рис. 7.2).

Прочностные характеристики бетона в обделке определяют предварительно механическими методами неразрушающего контроля, используя склерометры «ОНИКС-2.4». ИПС-МГ4.03 (рис. 7.3) иди Digi Schmidt-2000 австрийского производства. Чтобы получить результаты с большей достоверностью, для этих целей используют метод отрыва со скалыванием (рис, 7.4).

В случае необходимости характеристики бетона в конструкции определяют путем испытания образцов, отобранных при бурении. Для этого в действующем тоннеле можно использовать переносную портативную установку «Hilti». Использование буровой установки, помимо отбора кернов из тела обделки, позволяет установить фактическую толщину в любом ее сечении, определить характеристики грунта за обделкой, наличие пустот на контакте обделки с грунтом. Установка позволяет вести бурение в лотковой части тоннеля для установления параметров плиты основания пути или обратного свода.
Здесь следует отметить, что фактическая прочность бетона в конструкциях, определенная не разрушающими методами или испытанием отобранных из конструкции образцов, является необходимым расчетным параметром для получения достоверных сведений о реальной несущей способности обделки. Однако скрытые дефекты в обделке, нарушение контакта обделки с грунтом, развитие полостей в заобделочном пространстве при визуальном осмотре и выборочном (точечном) бурении остаются необнаруженными.
Поэтому для принятия проектных решений ремонта тоннеля часто недостаточно исходной информации.
Чтобы улучшить качество обследований, а также повысить объем и достоверности результатов технического диагностирования, в последние годы применяют геофизические методы получения информации как о состоянии материала тоннельной обделки, так и окружающего фунтового массива, С этой целью используют специальные приборы подповерхностного зондирования — георадары (51K-8 или «Око»), Георадар — радиотехнический прибор подповерхностного зондирования. Он предназначен для обнаружения точечных и протяженных нарушений структуры и различных объектов в неметаллических средах (фунт, вода, строительные конструкции и др.). Результаты зондирования выводятся на экран регистрирующего устройства в реальном времени и сохраняются в файле для обработки и вывода на печатающее устройство.
Область использования георадаров весьма обширна. Однако можно выделить некоторые аспекты, обосновывающие эффективность их применения в целях обследования технического состояния подземных сооружений. Так, при перемещении георадара по поверхности обделки на экран монитора выводится совокупность сигналов (радарограмма), по которой можно выявить толщину обделки в различных ее сечениях на всем протяжении тоннеля и скрытые дефекты в структуре бетона, а в железобетонной обделке — установить частоту и глубину заложения арматуры. Использование георадара позволяет обследовать окружающий обделку фунтовый массив с выделением зон разуплотнения, повышенной влажности, а также установить протяженность этих зон.

Георадар «Око-2» имеет два антенных блока — АБ-400 и ЛБ-1700, максимальная глубина зондирования которых составляет 5 и 1 м соответственно (рис. 7.5). Для выявления дефектов в обделке используют антенный блок АБ-1700, для получения информации о состоянии фунтового массива за обделкой — АБ-400 (табл. 7.1).

Антенный блок АБ-1700 проводят непосредственно по поверхности обделки. Для удобства перемещения он оснащен тремя колесами (одно колесо совмещено со встроенным датчиком перемещения). При работе с антенным блоком АБ-400 для уменьшения воздействия посторонних магнитных полей, искажающих результаты, зазор между лыжей антенны и исследуемой поверхностью оставляют минимальным. При работе в тоннеле антенный блок закрепляют на стреле мотовоза с зазором 0,3...0,4 м от обделки (рис. 7.6).
Чтобы получить достаточную для анализа информацию, стрелу мотовоза последовательно после каждого проезда по тоннелю устанавливают напротив характерного сечения обделки (свод, пяты свода, середина стены, низ стены на уровне головки рельса). Мотовоз движется по тоннелю от портала до портала с постоянной скоростью 10...15 км/ч.
Радарограммы являются рабочим материалом дли уточнения технического состояния обделки и характеристик фунтовою массива и занимают значительный объем на бумажном носителе при их распечатке. В качестве примера па рис. 7.7 приведен фрагмент расшифрованной радарограммы на участке с выявленными дефектами.

Водонепроницаемость бетонной обделки в тоннеле определяют с помощью переносного прибора ЛГАМЛ-2Р (рис. 7.8). Морозостойкость бетона определяют испытанием по стандартным методикам отобранных из обделки образцов. При необходимости проверки и определения системы армирования железобетонной обделки (расположения арматурных стержней, их диаметра, толщины защитного слоя бетона) используют магнитный или радиационный методы. В случае необходимости проводят контрольное вскрытие бетона с обнажением арматуры для непосредственного замера диаметра и числа стержней, опенки класса арматурной стали но рисунку профиля и определения остаточного сечения стержней, подвергшихся коррозии.

Для выполнения инженерно-геодезических работ используют современные полуавтоматические лазерные тахеометры, лазерные рулетки. Контроль деформаций и положения обделки тоннеля в пространстве ведется электронным тахеометром относительно неподвижного репера, расположенного вне тоннеля. Целью контроля является своевременное предупреждение и прогнозирование возможных необратимых деформаций обделки. Отражатели (деформационные марки) используют для фиксации и контроля формы и положения тоннельной обделки в пространстве. Их устанавливают по периметру обделки на участках с множественными дефектами, обнаруженными я процессе визуального обследования. Дополнительный перечень измерений и обследований устанавливает заказчик в техническом задании.