УСПЕШНОЕ ВНЕДРЕНИЕ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ НА ПРИРОДНЫХ ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ В АРМЕНИИ
Наиболее материалоёмким и дорогостоящим элементом транспортных тоннелей является их обделка. На её возведение затрачивается 40-50% общей трудоемкости тоннельно-строительных работ, а стоимость её составляет 50-60% полной стоимости тоннелей, поэтому совершенствование конструкций тоннельных обделок является одним из основных направлений повышения эффективности подземного строительства.
В ряде регионов имеются месторождения пористых горных пород. Использование этих пород в качестве заполнителей для бетонов тоннельных обделок является серьезной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, поскольку стоимость 1 м3 бетона на природных пористых заполнителях в тоннелях оказывается, как правило, на 25-40% дешевле, чем на привозных плотных заполнителях.
Исходя из вышеизложенного, по инициативе Армтоннельстроя к решению этой важной проблемы были приглашены АрмНИИСА (Симонов М.3., Евсеева С.Н, Асатрян В.С.), ЦНИИС (Щербаков Е.Н., Меркин В.Е, Кац К.М., Хубова Н.Г., Смолянский В.М., Арутюнов В.С.), Грузинский технический университет (Джинчарадзе Д.И.). Комплексное изучение всех проблем, связанных с применением легких бетонов на природных. пористых заполнителях, обеспечило успешное внедрение этих бетонов. в практику тоннельного строительства. Проведенными исследованиями было установлено, что бетоны на нсследованных природных пористых заполнителях (пемзе, вулканнческом шлаке, туфе) являются эффективным строительным материалом для обделок транспортных тоннелей.
Установлены закономерности статической работы обделок из легких бетонов. В частности, выявлено, что повышенная деформативиость за счет более интенсивного вовлечения окружающего грунта в работу приводит к уменьшению изгибающих моментов, увеличению нормальных сил, повышению несущей способности обделок. Все эти изменения проявляются в большей степени в слабых грунтах с увеличением размеров поперечного сечения тоннеля .и массивности его конструкции.
Разработаны рекомендацин по определению толщины обделки. Установлено, что повышение несущей способности тоннельной обделки за счет увеличения её толщины эффективно до определенного предела, после которого с дальнейшим увеличением толщины прирост несущей способности снижается, а далее прекращается.
Конструкции транспортных тоннелей работают в сложных условиях и поэтому к бетонам для подземного строительства предъявляются повышенные требования. Исходя из этого, необходимо было изучить и проанализировать основные свойства бетонов па природных пористых заполнителях а также оценить степень их соответствия этим повышенным требованиям.
Важнейшей характеристикой бетонов подземных конструкций является их водонепроницаемость. Исследования ряда известных ученых свидетельствуют о том, что бетоны на пористых заполнителях имеют такую же водонепроницаемость, как и бетоны на плотных заполнителях. Легкие бетоны обладают повышенной по сравнению с тяжелыми бетонами морозостойкостью.
Важнейшим достоинством легких бетонов с точки зрения статической работы кострукций подземных сооружений является их относительно высокая растяжимость. Предельная растяжимость легких бетонов примерно в 2 раза. больше, чем тяжелых, трещины в них появляются значительно позже, что имеет важное значение с точки зрения водонепроницаемости, морозостойкости и долговечности подземного сооружения.
Легкие бетоны обладают повышенной в сравнении с тяжелыми бетонами ползучестью. Исходя из специфики статической работы подземных конструкций в условиях взаимодействия с окружающим грунтом, повышенная ползучесть способствует снижению напряженного состояния тоннельной обделки.
Легкие бетоны обладают более высокой поглощающей способностью энергии колебаний, что обусловливает их более высокую сейсмостойкость.
Прочность бетонов на пористых заполнителях с возрастом увеличивается. Со временем улучшаются также показатели водонепроницаемости и морозостойкости, что способствует повышению надежности и долговечности подземных конструкций из бетонов на пористых заполнителях.
Таким образом, по своим основным свойствам бетоны на пористых заполнителях близки к обычным тяжелым бетонам. Однако, они обладают рядом существенных особенностей. Например, модуль упругости легких бетонов существенно ниже, чем тяжелых, и тоннельные обделки из легких бетонов вследствие этого обладают повышенной деформативностыо. В связи с увеличением податливости обделки происходит более интенсивное включение в работу грунтов вмещающего горного массива и более активное их участие в совместной работе с обделкой, что позволяет снизить материалоемкость тоннельной конструкции.
Без ущерба для несущей способности при замене тяжелого бетона легким может быть существенно снижена толщина обделки. Так, обделка из легкого бетона толщинок 20 см обладает такой же несущей способностью, что и обделка из тяжелого бетона аналогичной марки толщиной 30 см. Обделка из легкого бетона толщиной 30 см по несущей способности не уступает обделке из тяжелого бетона толщиной 50 см, а обделка из легкого бетона толщиной 50 см обладает несущей способностью больше, чем обделка из тяжелого бетона толщиной 100 см.
Применение легких бетонов вместо тяжелых позволяет снизить класс бетона без ущерба для его несущей способности как минимум на одну, а в ряде случаев даже на 2 ступени. При этом, лишь за счет стоимости товарного бетона в типовых обделках однопутного железнодорожного тоннеля достигается сокращение затрат более чем на 15%.
С целью исследования эффективности применения легких бетонов в качестве материала обделки транспортных тоннелей была выполнена серия расчетов с более 200 вариантов обделок по методам Н.Н.Фотиевой и Н.С.Булычева по программам ГОК 1 и РК2 в вычислительном центре Тульского Политехнического Института. В качестве объектов исследования послужили. обделки однопутного железнодорожного тоннеля кругового и подковообразного очертаний.
Анализ полученных результатов лозволил дать качественную оценку влияния жесткости конструкции на условия статической работы и несущую способность подземных конструкций.
Для обеспечения целесообразности и эффективности применения легких бетонов в обделках транспортных тоннелей были проведены экспериментальные исследования статической работы тоннелей на моделях в лаборатории моделирования тоннелей ЛИИЖТ-а, имеющей большой опыт исследований на моделях из эквивалентных материалов. Исследования проводились на моделях однопутного железнодорожного тоннеля и односводчатой станции метрополитена глубокого залолнения. Сопоставление результатов испытаний моделей обделок из легких и тяжелых бетонов показало, что снижение модуля упругости приблизительно вдвое уменьшает напряжение в среднем на 10-20%. Уменьшение моментов в замковом сечении однопутного железнодорожного тоннеля составило 7-15%, а односводчатой станции метрополитена – 15-23%. По результатам теоретичесских исследований, аналогичные показатели получились равными 10-12% и 22-38% соответственно, что свидетельствует о согласовании и сопоставимости результатов модельных и теоретических исследований.
Оценивая выполненные Армтоннельстроем работы по внедрению бетонов на природных пористых заполнителях из вулканического шлака, литоидной пемзы и ахавнатунского туфа в подземное строительство, можно сделать вывод о том, что опыт оказался успешным и доказал не только возможность, но и целесообразность применения бетонов на природных пористых заполнителях в обделках транспортных тоннелей.
С целью исследования: надежности, и долговечности обделок из бетонов на природных пористых заполнителях был выполнен комплекс работ, охвативший освидетельствование подземных сооружений, в обделке которых были применены эти бетоны. Внешнему осмотру были подвергнуты подземные конструкции Севанского автодорожного, Меградзорского, Иджеванского и Ахкихлинского железнодорожных тоннелей, а также трехпролетная станция колонного типа Ереванского Метрополитена. По результатам внешних осмотров можно заключить, что качество бетонов на природных пористых заполнителях удовлетворительное. Обнаруженные дефекты характерны и для участков, где применялся обычный тяжелый бетон, хотя во многих случаях такие сопоставительные осмотры и их результаты свидетельствовали в пользу участков тоннелей, где применялся бетон на природных, пористых заполнителях. Дефекты обусловлены, главным образом, несовершенством технологического процесса бетонирования в сложных подземных условиях.
Освидетельствование подземных конструкций Аванского солерудника, сооруженного Армтоннельстроем, возраст бетона которого превышал 20 лет, не выявило каких-либо существенных дефектов. Исследование прочности бетона обделки Аванского солерудннка показало, что она за 20-летний срок значительно возросла. Первоначальная прочность выросла в большинстве случаев примерно вдвое, что хорошо согласуется с данными целого ряда аналогичных исследований.
«Армтоннельстроем» в тоннельные кострукции траспортных тоннелей уложено свыше ДВУХСОТ тысяч кубометров легких бетонов на основе джраберской литоиднои пемзы и агавнатунского туфа (Армения).
Успешное внедрение легких бетонов в подземном строительстве (транспортные тоннели и метрополитен) стало возможным благодаря тому, что в решении этой важной проблемы приняли участие специалисты самой высокой квалификации. Был сформирован дружный творческий коллектив, в котором каждый из участников работал с полной отдачей сил, несмотря на то, что в ряде случаев их разделяли большие расстояния, и, наконец, усилиями ученых и практиков был снят существовавший многие годы запрет на широкое применение легкого бетона в подземном строительстве. Так, теория и практика тоннельного строительства убедительно доказали преимущества, которыми обладают тоннельные обделки из легких бетонов по сравнению с аналогичными конструкциями из тяжелого бетона.
За большой вклад в успешное. выполнение заданий до внедрению. комплекса эффективных конструкций, технологий, машин и оборудования ТО-41 Главтоннельметростроя (правопреемник Армтоннельстроя) был награжден дипломом ВЦСПС и Госкомитета по науке и технике Совета Министров СССР, а также дипломами и медалями ВДНХ.
Считаем, что высокий научный и профессиональный авторитет первопроходцев обеспечит зеленую улицу легким бетонам во всех областях подземного строительства.
Арутюнов Л. А. Армтоннельстрой
Джилчарадзе Д.И., д.т.н., проф., Грузинский Технический Университет