Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ

Изобретение относится к строительству и ремонту гидротехнических сооружений, а именно к строительству и ремонту напорных тоннелей ГЭС.

Известен способ выполнения обделки напорных и безнапорных тоннелей, сооружаемых в анизотропных породах (см., например, а.с. СССР №1413188, кл. Е 02 В 9/06, 1988).

Этот способ предусматривает решение задачи, заключающейся в повышении эффективности работы обделки за счет увеличения предварительного напряжения породы вокруг тоннеля в направлении максимального модуля деформации породы.

Недостатком этого способа является то обстоятельство, что при его осуществлении учитывается только степень анизотропности пород, окружающих тоннель, и не учитывается поведение затампонированной породы во время эксплуатации тоннеля.

В то же время влияние затампонированной породы на работу и состояние тоннеля было подтверждено при проведении комплекса исследований по состоянию обделки и заобделочного пространства деривационного тоннеля Ирганайской ГЭС.

Так, при проведении исследований конкретного тоннеля, проведенных после трехлетнего срока его эксплуатации, было установлено, что в пределах верхнего полупериметра тоннеля за бетонной обделкой образовались полости небольшой глубины, но значительной протяженности. Максимальная глубина полостей достигала 37 см, а средняя глубина полостей по всей трассе тоннеля составила 7 см. Также были обнаружены значительные по площади полости с раскрытием от 1 см.

Анализ проектных документов, а также известные положения расчета подобных сооружений показали, что для исключения возникновения подобных полостей необходимо проведение целого ряда мероприятий, которые в свою очередь не гарантируют получения желаемого результата, поскольку данный вопрос является недостаточно изученным и требует большого количества опытных проверок (см. Г.Г.Зурабов и О.Е.Бугаева "Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций", М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1962, с.366-375) [1].

Неглубокие пустоты до 1-2 см и менее возникли в силу того, что во время строительства тоннеля и его эксплуатации в течение первых трех лет, пока наблюдается явление ползучести бетона, под воздействием напора воды наружные стенки бетонной обделки тоннеля перемещаются в сторону горной породы, а после снятия давления внутри тоннеля его стенки возвращаются в исходное состояние, т.е. обделка работает под воздействием знакопеременного поля напряжений. В том случае, если модуль упругости материала обделки меньше, чем аналогичный показатель породного массива, зазор между ними также постепенно будет возникать за счет деформации кольца обделки. Учитывая, что тампонаж пород за обделкой проводят в большинстве случаев тампонажным раствором на основе цементов, модуль упругости которого ниже соответствующего модуля упругости обделки, за ней будут возникать пустоты, образование которых вызвано различной величиной упругой деформации материала обделки и горной породы. Причем глубина пустот будет тем больше, чем больше разница между модулями упругости и обусловленные этим деформации материала обделки и горной породы.

Наиболее близким к настоящему изобретению по своей технической сущности и достигаемому результату является способ сооружения обделки напорного тоннеля, при котором осуществляют формование бетонной обделки тоннеля, закрепление породы вокруг бетонной обделки путем нагнетания в породу тампонажного раствора и образование демпфирующего слоя между бетонной обделкой и затампонированной породой (см. а.с. СССР №1161640, кл. Е 02 В 9/08, опублик. 1985).

Недостатком обделки напорного тоннеля, сооруженной этим способом, является ее невысокая стойкость из-за постоянного воздействия воды под давлением на бетонную обделку тоннеля как с внутренней, так и с наружной ее стороны. Под воздействием этой воды происходит постепенное разрушение бетона за счет вымывания из него окиси кальция.

В основу изобретения положено решение задачи по созданию способа сооружения обделки напорного тоннеля, позволяющего повысить срок службы тоннеля, снизить затраты на ремонтные работы, связанные с поддержанием в рабочем состоянии бетонной обделки тоннеля.

Известно, что наличие за обделкой в своде и по стенам тоннеля полостей даже малого раскрытия ведет к изменению расчетной схемы и условий работы обделки. Когда горное давление действует с трех сторон (лоток и бока тоннеля), происходит выгиб обделки в сторону сводовой поверхности с разрушением не только бетона, но и металлических арок. Этому процессу способствует и наличие гидростатического давления воды.

Для исключения развития дальнейших деформаций свода обделки и его возможного обрушения необходимо выполнять демпфирующий тампонаж заобделочного пространства во всех местах, где наблюдаются пустоты и даже зазоры между внешней поверхностью обделки и породным массивом.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении надежности эксплуатации тоннеля за счет снижения действующих нагрузок на обделку тоннеля.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе сооружения обделки напорного тоннеля в горных породах, включающем формование бетонной обделки тоннеля, закрепление породы вокруг бетонной обделки путем нагнетания в породу тампонажного раствора и образование демпфирующего слоя между бетонной обделкой и затампонированной породой, образование демпфирующего слоя между бетонной обделкой и затампонированной породой производят после заполнения тоннеля водой под рабочим давлением, выдержки бетонной обделки под давлением воды в течение 1,5-2 лет, сброса воды и выявления зазоров между бетонной обделкой тоннеля и затампонированной породой, при этом образование демпфирующего слоя осуществляют посредством проведения демпфирующего тампонажа заобделочного пространства нагнетанием в местах выявленных зазоров между внешней поверхностью обделки и породным массивом упругого тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости бетонной обделки и модуля упругости породного массива

Такое промежуточное значение модуля упругости тампонажного материала позволяет перераспределять возникающие в процессе эксплуатации тоннеля нагрузки на бетонную обделку тоннеля, снижая их при возникновении деформации окружающих пород с высоким модулем упругости или повышая сопротивление смещению бетонной обделки в сторону окружающих более слабых пород.

Способ сооружения обделки напорного тоннеля осуществляется следующим образом.

После проходки тоннеля и бетонирования его обделки производят закрепление породы вокруг бетонной обделки путем нагнетания в породу тампонажного раствора. Нагнетание тампонажного раствора производится через шпуры, пробуриваемые в обделке после ее затвердения. Тампонаж может быть осуществлен любым известным способом, приемлемым в конкретных условиях.

После схватывания цемента и проведения всех предварительных работ и испытаний производится заполнение тоннеля водой под рабочим давлением. Образование демпфирующего слоя между бетонной обделкой и затампонированной породой производят после заполнения тоннеля водой под рабочим давлением, выдержки бетонной обделки под давлением воды в течение 1,5-2 лет, сброса воды и выявления зазоров между бетонной обделкой тоннеля и затампонированной породой. Образование демпфирующего слоя осуществляют посредством проведения демпфирующего тампонажа заобделочного пространства нагнетанием демпфирующего тампонажного раствора в местах выявленных зазоров.

Такой порядок проведения работ обусловлен следующими причинами.

При эксплуатации тоннеля бетонная обделка подвергается переменным нагрузкам от изменяющегося давления воды, пропускаемой по тоннелю. В значительной степени эти изменения будут зависеть от внешних условий сезонного характера. Кроме того, как показывают различные исследования (см. А.А.Шилин и др. "Гидроизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте", Тверь, 2003, с.298) [2], величина предельной относительной усадки бетона достигает величины порядка 80% к 1,5 годам эксплуатации и асимптотически приближается к своему максимуму к началу третьего года эксплуатации. Иными словами, в период первых двух лет эксплуатации тоннеля бетон обделки стенок дает значительную усадку, что в свою очередь вызывает образование полостей между бетонной облицовкой тоннеля и окружающими породами за счет разности в величине их необратимых пластических деформаций.

Если после этого первоначального периода в местах выявленных пустот и зазоров производить демпфирующий тампонаж заобделочного пространства путем нагнетания в эти места упругого тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости породного массива при дальнейшей эксплуатации тоннеля будет исключено взаимное влияние бетона обделки и окружающих пород. При этом в случае применения демпфирующего материала с гидроизоляционными свойствами исключается постепенное разрушение бетона за счет вымывания из него окиси кальция.

Как следует из [2], процесс усадки бетона во времени может происходить различно как по величине, так и по направлению, кроме того, как следует из [1], даже одна и та же порода в зависимости от трещиноватости, направления напластования и других условий ее залегания может иметь различную величину модуля упругости. Поэтому конкретную величину модуля упругости тампонажного материала подбирают экспериментальным путем.

Конечно выполнение демпфирующего тампонажа после значительного времени эксплуатации тоннеля удорожает строительство. Однако, если производить демпфирующий тампонаж непосредственно во время проведения тоннеля и возведения обделки, можно снизить количество возникающих пустот в заобделочном пространстве, но не удается полностью исключить их появление при совместном воздействии усилий, возникающих со стороны окружающих пород и бетонной обделки при усадке бетона. По прошествии 1,5-2 лет между породой и наружной стороной бетонной обделки в некоторых местах возникают локальные отслоения и пустоты. Это приводит к тем же нарушениям, что и без тампонажа, но в меньшей степени. Проводить демпфирующий тампонаж по всей площади обделки тоннеля очень дорого и нерационально. Кроме того, при возникновении пустот между демпферным слоем и бетонной обделкой проведение повторного тампонажа не дает желаемого результата, поскольку, как показали натурные эксперименты, адгезионное сцепление между вновь нанесенным тампонажным материалом и ранее нанесенным слоем меньше адгезионного сцепления молекул внутри слоя.

Очевидно, что особое внимание должно уделяться выбору материала для производства демпфирующего тампонажа. Тампонажные материалы после отвердения должны обладать определенными свойствами, а главное быть упругими и при знакопеременных напряжениях в обделке тоннеля не должны способствовать формированию полостей между горной породой и обделкой. Таким образом, в деривационных тоннелях, после определенного времени эксплуатации необходимо выполнять демпфирующий тампонаж закрепного пространства, который обеспечит проектные условия работы обделки.

В качестве такого материала может быть применен однокомпонентный гидрофобный гидроактивный жесткий полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью "НА CUT" или однокомпонентный гидрофобный гидроактивный эластичный полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью "НА FLEX".

Оба состава производятся бельгийской фирмой "DE Neef Construction NV/SA" и в настоящее время поставляется в Россию в необходимых количествах. При использовании указанных составов имеется возможность регулировать степень расширения состава и прочность его на сжатие. Поскольку указанные свойства составов должны быть согласованы с физико-механическими характеристиками как бетона обделки, так и окружающих пород, которые в свою очередь определяются только опытным путем (см. [2], с.163-168), конкретные составы могут быть подобраны только экспериментально.

По существу сооружение напорного тоннеля может считаться полностью законченным только после проведения операции демпфирующего тампонажа.