Технологические особенности строительства и эксплуатации металлических гофрированных труб

Для обеспечения бесперебойного и безопасного движения транспорта по автомагистралям, дорогам разной технической категории и железным дорогам с установленными скоростями главной задачей содержания дорожного полотна является обеспечение исправности состояния всех его элементов. Помимо комплекса основных инженерных сооружений, рассчитанных на длительные сроки службы (насыпи, выемки, нулевые места, полунасыпи-полувыемки, устройства для отведения поверхностных вод: лотки, кюветы, канавы и пр., сооружения для перехвата и отведения грунтовых вод: дренажи и каптажные устройства, укрепительные сооружения и т.д.), особо важное значение имеет в местах пересечения их с искусственными водопропускными сооружениями исправное состояние последних, которое в значительной мере обеспечивается соответствием их конструкций действующим нагрузкам и режимам работы, проведением качественного мониторинга, выполнением планово-предупредительных ремонтов. Работоспособное состояние комплекса МГТ - грунтовая обойма основано на непрерывном текущем содержании и периодическом проведении необходимых ремонтных работ. В этой связи становится важным как предупреждение появления неисправностей, своевременное их устранение, так и ликвидация причин, вызывающих появление неисправностей.

Для выявления опасных ситуаций необходима организация постоянного мониторинга за работой и состоянием как водопропускной трубы из МГК, так и грунтовой обоймы в период строительства и эксплуатации, а также проведение натурных наблюдений в зависимости от класса сооружений в соответствии с актуализированной редакцией СНиП 33-01-2003 и СНиП 3.06.07-86. Натурные наблюдения нужны для того, чтобы составить план дальнейших действий: производство локального ремонта, реконструкции или полной замены водопропускного сооружения.

Несмотря на довольно широкое и интенсивное применение водопропускных сооружений из металлических гофрированных элементов до сих пор практически отсутствуют современные данные как по эксплуатации, так и по оценке технического состояния основных конструктивных элементов МГТ: защитного покрытия, входного и выходного оголовков, устройств нижнего бьефа. He разработаны отечественные методика проведения натурных обследований МГТ и нормативные документы, позволяющие корректно оценить и прогнозировать состояние таких сооружений, степень их экологической и технической безопасности для окружающей территории. Актуальными становятся натурные исследования, на основании которых должна быть проведена комплексная оценка не только состояния, но и гидрологической и гидродинамической безопасности МГТ, поскольку риск аварий гидротехнических элементов их довольно велик (рис. 4.1).



Анализ зарубежных методик позволяет выделить две основные системные модели оценки водопропускных сооружений (США). Общая оценка - внешний осмотр водопропускных труб оценивается по 5-балльной системе. В результате оценки состояние объекта выделяют в одну из 3-х зон: критическое; хорошее и удовлетворительное состояние. Сооружения, попавшие в критическую зону, подвергаются полной оценке для незамедлительного принятия мер по дальнейшему ремонту и эксплуатации сооружения. Полная оценка - помимо внешнего осмотра, включает в себя также оценку технических характеристик сооружения, условий его безопасности, времени проведения предыдущего ремонта, осмотра концевых участков сооружения, установления его гидравлических характеристик.

Дополнительная система оценок, приближенная к условиям небольших дорожных трубчатых переходов проводится сразу после реконструкции и ремонта сооружения для того, чтобы сопоставить результаты предшествующего осмотра и мер, которые были приняты для устранения дефектов. По этой системе устанавливается 5-уровневое состояние сооружения: отличное; очень хорошее; хорошее; удовлетворительное и неудовлетворительное.

По данным американских ученых, главными факторами, оказывающими влияние на срок эксплуатации МГС, являются скорость потока, коррозия, рН-фактор и абразивное воздействие твердых частиц, движущихся с водным потоком.

Для адаптации указанных методик к российским условиям в 2008-2010 гг. в МАДИ были проведены натурные исследования 12-ти реконструированных участков автодорог в Московской области, на которых после капитального ремонта были уложены одно- (60%) или двухочковые (40%) трубы из МГК, и один объект в Москве, основные характеристики которых указаны на рис. 4.2.



МГТ заменили на всех рассмотренных водопропускных объектах автодорожные железобетонные мосты либо пешеходные переходы. Лишь в одном случае гофрированной трубой была произведена реконструкция существующей железобетонной трубы методом гильзования (рис. 1.37). На отсыпанной поверхности грунтовых призм (дамб или плотин) по щебёночной подготовке толщиной 30 см были устроены покрытия проезжих автодорог (80,0%) либо пешеходных дорожек из тротуарной плитки на песчаной подготовке (20,0%). Все отремонтированные искусственные сооружения имели технические паспорта и большинство эксплуатировалось ДРСУ (11 сооружений).
Сопоставительный анализ обследованных МГТ показал, что водопропускные сооружения после реконструкции имеют сходные конструктивные решения. Поперечное сечение 30,8% обследованных водопропускных труб было круглым, а у 69,2% пониженным.

Диаметр труб - от 1,5 м до 6,1 м при толщине стенок от 2,75 мм до 6 мм. Водопропускные сооружения на входе и выходе были обустроены раструбными (46,6%) или воротниковыми оголовками (26,7%), без оголовка были выполнены 26,7% (рис. 4.2б). Оголовки водопропускных труб и участки русла водотоков на входе и выходе были оформлены с использованием габионных конструкций (практически везде матрасами Рено высотой 0,3 м). Уклон, с которым были уложены трубы, изменялся в пределах 0,005...0,08. Максимальный расход воды в сооружениях составлял Q2% = 0,075...0,195 м3/с. Скорость течения водного потока на выходе была около 2,1 ...3,0 м/с.

В момент обследования все водопропускные трубы работали в безнапорном режиме по типу «коротких». Для защиты от коррозии все элементы в заводских условиях были покрыты горячей оцинковкой с толщиной слоя не менее 85 мкм. Для предотвращения абразивного воздействия потока на дне труб устраивалась наброска из камня (69,2%) или гладкий бетонный лоток (15,4%), а 15,4% труб не имели защитного покрытия. Металлическая труба из гофрированных структур на водопропускных сооружениях устанавливалась на подготовленное основание, чаще грунтовую подушку из песка толщиной до 1 м.

При натурном обследовании состояний водопропускных сооружений, помимо установления технических характеристик, особое внимание было уделено выявлению дефектов искусственных сооружений, образовавшихся за относительно небольшой период их эксплуатации. Результаты обследования водопропускных сооружений из МГС на наличие дефектов представлены на рис. 4.3.

Анализ выявленных дефектов позволил выделить и обобщить ряд основных, наиболее часто встречающихся дефектов водопропускных сооружений, которые можно использовать для распознания и выявления типичных дефектов содержания МГТ и дорожного полотна в районе его влияния при визуальном обследовании ремонтными и эксплуатационными службами:

- разрушение откосов водопропускных сооружений, конусов и насыпи в районе МГТ, нарушение целостности укреплений поверхности откосов, размыв, обрушение и сползание откоса насыпи (рис. 4.4). Допустимая площадь разрушения должна составлять не более 1,5...3% для дорог соответственно от I до V категории;
- наличие просадок (понижение профиля покрытия, осадка земляного полотна) в местах сопряжения трубчатого перехода или моста с насыпью. Допустимая просадка от 0 до 5 см соответственно для дорог от I до V категории;

- повреждения насыпи, дамбы или грунтовой плотины при недостаточной длине водопропускной трубы (см. рис. 4.4);

- застой воды у оголовка водопропускных труб (скопление воды у входных и выходных оголовков труб, вызванное недостаточным уклоном трубы или отводящего русла, а так же их заиливанием или зарастанием). Застой не допустим на дорогах всех категорий, при всех уровнях содержания;
- локальные разрушения оголовков (нарушение целостности поверхности и выкрашивание материала оголовков, трещины). Допустимая площадь локальных разрушений не более 3...20% общей площади соответственно для дорог от I до V категории;
- дефекты габионных конструкций (оголовков труб, крепления оголовков, дна и откосов русел), часто подвергаемых актам вандализма;
- заиливание водопропускных труб (отложение илистых частиц в сечении и у оголовков). Допустимая величина заиливания от 0 до 0,1 диаметра трубы соответственно для дорог от I до V категории;
- размыв русел водотоков у оголовков водопропускных труб (образование промоин у оголовков вследствие вымывания грунта и материала укрепления русел водотоков из-за отсутствия выходных оголовков и устройств нижнего бьефа за МГТ). Размыв у оголовков МГТ не допустим на дорогах всех категорий, при всех уровнях содержания;
- наличие травы высотой более 15 см и древесно-кустарниковой растительности у оголовков водопропускных труб, препятствующих нормальному движению воды. Наличие такой растительности в русле у оголовков МГТ недопустимо на дорогах всех категорий, при всех уровнях содержания;
- наличие незаделанных швов между звеньями водопропускных труб (нарушение герметичности стыков). Незаделанные или разошедшиеся швы бетонных труб и МГТ недопустимы на дорогах всех категорий, при всех уровнях содержания;
- наличие снежно-ледяных отложений в теле трубы в период до начала весеннего паводка, препятствующих пропуску паводка. Допустимая величина снежно-ледяных отложений в теле трубы должна быть не более 2/3 диаметра МГТ не зависимо от категории дороги и уровня её содержания;
- внутренняя коррозия МГТ, нарушение обмазочной гидроизоляции и коррозия МГТ, ускоренная абразивным воздействием водного потока;
- деформация гофролиста на входе и выходе из МГТ;
- разрушения (провал) искусственного дорожного покрытия вследствие разрушения водопропускной трубы, некачественного выполнения обратной засыпки и уплотнения грунтовой обоймы либо фильтрационных деформаций вдоль гофротрубы из-за отсутствия геотекстиля (рис. 4.5, 4.6);
- разрушения МГТ из-за некачественного выполнения противофильтрационных элементов и грунтовой обоймы;

- продольный прогиб трубы, имеющий наибольшее значение в зоне приложения временной нагрузки от насыпи, автотранспорта и подвижного состава, приводящий к деформациям выходного участка;
- овализация, в том числе и несимметричная, тела МГТ (рис. 4.7);
- местный разрыв и прогибы тела МГТ;
- отложения наносов, стесняющие живое сечение трубы;
- загрязнение русла водотока строительным и бытовым мусором, ветками деревьев и пр.;
- другие дефекты МГТ: неправильная сборка звеньев железнодорожной трубы, несоблюдение технологического цикла, разрушение грунта в пазухах многоочковых труб, завалы грунта перед оголовками и т.п.



Общее состояние осмотренных в 2009-2010 гг. сотрудниками МАДИ водных объектов с трубами из МГК отображено на рис. 4.8.



Можно констатировать, что восстановленные дорожные ГТС не оказали заметного отрицательного влияния на экологическое состояние окружающей среды за прошедший после реконструкции период. Во время обследования не были обнаружены заболачивание пойм, эрозия почв, размывы и вынос растительного грунта, обрушения берегов, изменения уровня грунтовых вод, нарушения состояния растительного и травяного покрова на пойме в районе мостового перехода на всех ГТС. В тоже время на ряде объектов русла водотоков были загрязнены мусором, строительными материалами и ветками деревьев, вода в водосбросной трубе и на подходных участках на ряде объектов была покрыта густой ряской и в ней находились значительные иловые отложения, нижний бьеф зарос густой травой, а выходной оголовок был завален бытовым мусором, что говорит о недостаточной работе служб эксплуатации. По результатам выполненных обследований были составлены рекомендации для служб эксплуатации соответствующих водных объектов и участков автомобильных дорог.

Для исключения загрязнения почв и поверхностных вод соединениями свинца, маслами и автомобильным топливом на большинстве автодорог, проходящих по гребню ГТС, на 75% объектов была устроена система поверхностного водоотвода, исключающая попадание воды и других вредных веществ с проезжей части на почву. В тоже время ни на одном из обследованных сооружений не установлены специальные устройства или конструкции, позволяющие осуществить очистку отводимых сточных вод в соответствии с санитарными нормами во избежание загрязнения малых рек и грунтовых вод.

Для содержания водопропускных труб в состоянии, обеспечивающем беспрепятственный пропуск водного потока через МГТ, необходим инструментальный и визуальный мониторинговый контроль, проводимый службой эксплуатации в соответствии с отраслевыми нормами профилактических мероприятий и обследований состояния сооружений для своевременного планирования и проведения ремонтно-восстановительных работ (рис. 4.9). Такие натурные обследования СМГК с составлением отчётов, предусмотренных нормативными требованиями, необходимо проводить чаще, чем для других водопроводящих сооружений.



Учитывая вышесказанное и иллюстрации Приложения А при визуальном осмотре особое внимание надо обращать на следующие возможные проблемные места МГТ:

- заиление и засоренность лотка и трубы;
- повреждение металлической трубы: вмятины, трещины, повреждения антикоррозийного защитного покрытия, появление ржавчины, участки со значительны уменьшением толщины металла, состояние болтов и т.д.;
- общее состояние и дефекты лотка на дне трубы (трещины, раскрытие шов, отслаивание, величина истирания бетона, налёт, потёки, переформирование камня и т.д.);
- повреждение основания: просадки, поперечные сдвиги, крен и т.д.;
- состояние оголовков и примыканий к ним (подмыв, оползание, дефекты облицовки и материала трубы, состояние обтекаемой потоком поверхности и пр.);
- деформация откосов и их креплений, гребня и дорожного полотна насыпи или плотины;
- фильтрация в обход сооружения и вдоль труб по контактной поверхности с грунтовой обоймой;
- состояние сети поверхностного водоотвода на гребне, бермах и откосах плотины или насыпи;
- повреждения откосов, берегов и дна в районе входного и выходного оголовков МГТ (размывы, истирание, вымыв грунтовой подготовки, деформации креплений и т.д.);
- заиление и зарастание подводящих и отводящих участков русел водотока, каналов и канав, характер сорной растительности;
- гидравлический режим работы МГТ и движение водного потока в нижнем бьефе (распределение скоростей по глубине потока, состояние водной поверхности внутри МГТ, растекание потока в плане за сооружением, наличие сбоя потока и др.);
- места сопряжения русла водотока с элементами крепления, так как в них часто формируются локальные ямы размыва, подмывы бетонного укрепления, деформации каменного, габионного или другого гибкого крепления.

Обследование нижнего бьефа водопропускных МГТ должно проводиться не реже 1 раза в год и обязательно после прохождения паводка или половодья. При этом особенно внимательно следует производить осмотр водобоя, рисбермы и примыкающего к ним участка русла с регистрацией рельефа воронки местного размыва. Периодичность и объём наблюдений должны корректироваться с учётом погодных условий региона и интенсивности происходящих процессов. Поскольку повреждение укреплений оголовков может привести к формированию эрозионных процессов на откосах дороги и засорению МГТ и русла, то состояние таких элементов сооружений следует проверять регулярно, а повреждения устранять незамедлительно. Оголовки водопропускной трубы следует очищать от растительности, которая способствует задержке мусора, что в свою очередь приводит к снижению скорости потока и заиливанию русла, а также к повреждению элементов, особенно краёв, конструкции сооружения.

Качество работ по устройству гладкого лотка внутри МГТ оценивают визуально и по данным лабораторных исследований прочности бетона, его морозо- и влагостойкости. При осмотре лотка следует обращать внимание на трещины, раковины, отслоение материала лотка от поверхности трубы и т.п. Коррозионное разрушение МГТ может происходить достаточно интенсивно, поэтому при выявлении признаков коррозии необходимо провести дополнительное исследование для определения степени агрессивности воды и грунта по отношению к металлу трубы, проволоки габионных устройств, к бетону лотка.

Следует тщательно оценить изменение характеристик водного потока, которые могли произойти за истекший период (например, за счет попадания в водный поток промышленных сточных вод, нефтепродуктов, смазочных и электроизоляционных минеральных масел и т.п.). Нарушенные швы между отдельными конструктивными элементами необходимо заделать.

На построенных в последние годы МГТ, при контроле качества заводских элементов, можно встретить следующие основные признаки брака цинкового покрытия: видимые трещины, забоины, крупная рябизна, большие наплывы цинка в местах стыков, темные пятна и места, не покрытые цинком. По инструкции не подлежат браковке элементы с наплывами цинка шириной до 100 мм вне зоны отверстий, мелкие крупинки цинка до 0,5 мм, мелкая рябизна, небольшая шероховатость поверхности и наличие светло-серых пятен.

Цинковое покрытие долгие годы (десятки лет) может защищать трубы из МГК, но необходимо следить за целостностью цинкового слоя, препятствовать возникновению точечной коррозии. Поврежденное цинковое покрытие необходимо быстро восстановить в процессе эксплуатации трубы. Необходимо контролировать целостность гидроизоляции грунтовой обоймы и не допускать бесконтрольного изменения рельефа над сооружением или значительного увеличения транспортных нагрузок.

Технологический процесс по устройству защитного покрытия трубы для предохранения от коррозии внутренней и наружной поверхности труб включает в себя: очистку трубы от грязи, нанесение грунтовки и битумной мастики. До проведения ремонтных работ поверхность трубы следует тщательно очистить (рис. 4.10). Затем в зависимости от площади поврежденного участка и степени поражения ржавчиной можно использовать: при довольно большой площади повреждения - пескоструйную очистку под давлением; при небольших площадях - химический или биологический преобразователь ржавчины. Потом наносится, например, цинковое или эпоксидное защитное покрытие. Грунтовку наносят пистолетом-распылителем в сочетании с красконагнетательной установкой типа С-764. Мастику наносят преимущественно распылителем.



Качество эмалевого защитного покрытия проверяют по следующим показателям: толщина покрытия должна соответствовать заданной в проекте, покрытие должно быть сплошным, ровным (без натеков) и не иметь отлипа, сорности и механических повреждений. Качество битумного защитного покрытия - сплошность, целостность, отсутствие пузырей и отслоений - оценивают визуально, а толщину покрытия определяют непосредственными измерениями в местах надрезов. Восстановление антикоррозионного покрытия выполняют оцинковкой напылением, покраской и с применением ремонтного сплава (сплав цинка, олова и свинца). Использование ремонтного сплава сложнее, чем красок, однако полученный слой обладает такой же коррозионной стойкостью, что и горячеоцинкованный лист.



Отслоение защитного покрытия с обнажением чистой металлической поверхности - свидетельство плохого качества дополнительного покрытия. В некоторых случаях лотковая часть трубы, которая в наибольшей степени подвержена коррозии и абразивному воздействию водного потока, защищается дополнительными металлическими листами, которые крепятся к старой конструкции сваркой (рис. 4.11). Промежуток между ними заполняется цементным раствором. При незначительных дефектах возможно нанесение бетонного раствора внутри конструкции (рис. 4.12).



Полимерные покрытия, нанесенные на внутреннюю и наружную поверхности водопропускных труб из МГК позволяют увеличить их абразивную и коррозионную стойкости. Поэтому они в последние десятилетия находят всё более широкое применение, особенно в СГМТ. В России мониторинговые наблюдения по оценке надёжности таких покрытий ещё не производились. В США впервые в мире натурные исследования ряда полимерных покрытий для оценки прочности стальных гофрированных труб и продления срока службы внутренней поверхности МГТ (invert life) организовала и провела в 2011 г. Национальная ассоциация производителей гофрированных труб из стали (NSPA). Наилучшие результаты показало покрытие Trenchcoat. Это жесткая, прочная защитная пленка больших размеров с номинальной толщиной в 12 мм, покрывающая оцинкованный металлический лист внутри и снаружи вплоть до сгиба СГМТ (рис. 4.13).

Общая структура, состояние соединений и полимерного покрытия были классифицированы по шкале от 1 до 5, представленной в табл. 4.1.



По данным отчёта 51 гофрированная стальная труба с полимерным покрытием после 38 лет службы все еще функционирует нормально в различных природных климатических условиях. Ни одна из труб не была подвержена коррозии в значительной степени (рис. 4.14).



Анализ 4-х выделенных фаз (период инициализации, период снижения качественных характеристик полимера, коррозия цинка и фаза коррозии стали) показал, что в течение периода инициализации, случайные события, такие, как механическое воздействие, могут образовывать слабые места в покрытии. Каждая из фаз приводит, по анализу данных наблюдений, к ухудшению уровня покрытия (от 5 до 1) (рис. 4.15). За счёт отслоения полимерного покрытия от нижнего грунтового слоя наблюдается период снижения качественных характеристик полимера. Небольшое отслоение покрытия было замечено у всех труб на дне, на входе и выходе, но повреждений оцинкованной стали не было. Средний износ был обнаружен на косогорных трубах (уклон в 30°), которые рассчитаны на большую величину пропускаемого расхода водного потока, формирующегося за счёт атмосферных осадков. Истощение средней степени включает в себя пузырчатое образование в покрытии на дне трубы.

В течение одиннадцати лет, которые длились между проверками, СГМТ с полимерным покрытием показывала отличную антикоррозионную стойкость во всех агрессивных средах. Полимеры обеспечивают защиту оцинкованному покрытию как посредством уменьшения доступа кислорода на поверхность (определяющего интенсивность коррозии), так и посредством защиты цинка от абразивных воздействий. При отсутствии полимерного покрытия срок службы трубы определяется продолжительностью коррозионного разрушения цинкового покрытия и трубы. В результате коррозия стали начинает действовать как механизм разрушения трубы.



Натурные обследования показали, что для всех возрастных категорий труб, кроме труб, работающих 21...25 лет, более 70% полимерного покрытия находятся в «превосходном» состоянии (рис. 4.16). В то время как незначительные и средние расслоения все же наблюдались, никакой значительной коррозии металла не было обнаружено в течение 38 лет. Было отмечено, что расслоение покрытия оказывает влияние всего лишь на 5% всей покрытой площади поверхности. Места снижения качеств полимера были обнаружены во внешних повреждениях, таких как кромки или же в местах, поврежденных при обслуживании. Ни в одном из этих случаев не обнаружено системных повреждений покрытия по всей длине трубы.

Таким образом, анализ данных натурных исследований подтверждает, что в случае, если полимерное покрытие будет удалено или вообще отсутствовать, то коррозия цинка будет резко влиять на срок службы МГТ и СМГТ. В конце концов, коррозия стали будет действовать как механизм разрушения для трубы в последние годы срока службы. Во всех трубах наблюдалось расслоение полимера меньше 5%. Полимерное покрытие надёжно защищает трубу от коррозии в самых суровых климатических условиях и в условиях абразивного износа труб практически в течение всего срока её эксплуатации, который может достигать с таким покрытием до 80 лет. Безусловно данные этих исследований необходимо соотнести с реалиями нашей страны и провести аналогичные натурные исследования водопропускных сооружений из МГТ на основных магистралях РФ или хотя бы в Московской области.



В МГТ при отклонении формы поперечного сечения от проекта более чем на 3% необходимо производить ремонт. Для этого в трубе устанавливают распорки с домкратом или при вскрытии насыпи заменяют деформированный участок металла с применением сварки и последующим устройством защитных покрытий по восстановленному участку трубы (рис. 4.17).



При потере несущей способности конструкции необходимо осуществить проведение работ по ее усилению без разборки земляной насыпи. Реконструкция трубы может быть проведена способом гильзования (рис. 4.18). Для применения такого способа необходимо, чтобы существующая реконструируемая труба не имела существенных деформаций.



Очень важна оценка качества и состояния грунтовой засыпки труб. Контроль проводится как в процессе строительства, так и в период эксплуатации и ремонта водопропускного сооружения. При строительстве в случае существенных отступлений от проекта или при отсутствии необходимой степени плотности, характеризуемой коэффициентом уплотнения, засыпка должна быть приостановлена и приняты необходимые меры по достижению заданных требований.