16.2.3. Монолитные бетонные и железобетонные обделки туннелей
Обделки гидротехнических туннелей из монолитного бетона марок 200—300 применяют в основном в породах средней крепости и крепких (f>4), как правило, в безнапорных туннелях. Обделки проектируют нетрещиностойкими.
Рис. 16.3. Обделка туннеля Ингурской ГЭС из монолитного бетона с укрепительной цементацией породы.
1—зона цементации; 2 — скважины для цементации; 3 — бетонная обделка.
При проектировании монолитных нетрещиностойких бетонных слабоармированных обделок напорных туннелей, расположенных в трещиноватых или неоднородных (слоистых, блочных) скальных породах средней крепости и крепких следует иметь в виду, что для увеличения водонепроницаемости, повышения деформативных характеристик пород, окружающих туннель, и уменьшения их анизотропии весьма эффективна укрепительная цементация породы вокруг туннеля. Глубину цементации обычно принимают в пределах 0,6—0,8 внутреннего диаметра туннеля и ведут под давлением, в 2—2,5 раза превышающим расчетное давление воды в туннеле.
Укрепительная цементация может быть рекомендована при наличии в породе трещин с раскрытием не менее 0,15 мм (с различными добавками до 0,1 мм) и при удельном водопоглощении пород более 0,01 л/мин. Цементация неэффективна при высоких скоростях фильтрационного потока.
Монолитная обделка применена в уникальном напорном деривационном туннеле Ингурской ГЭС. Туннель кругового очертания имеет диаметр в свету 9,5 м и общую длину 14,8 км и проходит в основном в известняках. Расчетный напор воды в туннеле равен напору у водоприемника 1,0 МПа, а у уравнительного резервуара 1,65 МПа. На участке туннеля длиной 11,3 км принята нетрещиностойкая бетонная обделка толщиной 0,5 м и укрепительная цементация породы. До цементации коэффициент удельного отпора составлял 5000—8000 МН/м3. Предполагалось, что укрепительная цементация повысит его значение до 8000—10 000 МН/м3 и понизит водопроницаемость породы. В соответствии с энергоэкономическим расчетом потери воды из туннеля при расчетном расходе не должны превышать 2—3 м3/с.
Для обоснования параметров цементации вблизи трассы туннеля был создан опытный штрек диаметром 5 и длиной 20 м. После проведения опытных работ была запроектирована обделка туннеля (рис. 16.3). Укрепительную цементацию породы выполняли в три очереди. Скважины первой очереди бурили в нечетных рядах (по 9 скважин в сечении) через 6 м вдоль туннеля глубиной 6,5 м от внутренней поверхности туннеля. Скважины второй очереди той же глубины бурили в четных рядах также через 6 м вдоль туннеля, но в шахматном порядке по отношению к скважинам первой очереди. Скважины третьей очереди глубиной 4,5 м бурили в шахматном порядке между скважинами первой и второй очереди. Цементировали скважины первой и второй очереди при давлении до 3,0 МПа, а скважины третьей очереди —при давлении до 4,0 МПа.
Контроль качества цементации на водопроницаемость осуществлялся путем гидравлического опробования контрольных скважин, составляющих до 10% общего количества цементационных скважин. Удовлетворительным качеством цементации считалось при водопоглощении скважин не более 0,02 л/мин на 1 м скважины на каждый метр давления водяного столба. Коэффициент удельного отпора (в пересчете от модуля деформации) зацементированной породы определялся методом ультразвукового профилирования скважин через каждые 100—200 м по длине туннеля. В результате укрепительной цементации вокруг туннеля удельный коэффициент отпора породы в среднем увеличился в 1,3 раза, коэффициент анизотропии снизился на 40—50%, а водопоглощение породы уменьшилось не менее чем в 5 раз.
Принятая для Ингурского туннеля обделка с укрепительной цементацией породы оказалась значительно дешевле обделки из металлической оболочки и наружного бетонного кольца. Обделка такого типа применялась как в Советском Союзе — отдельные напорные туннели на Нурекской, Чарвакской и других ГЭС, так и за рубежом — туннели ГЭС Рейзах (давление 2,4 МПа) и ГЭС Вейнберг (1,5 МПа) в ФРГ, ГЭС Розелан-Бати (1,6 МПа) во Франции, ГЭС Рама (1,0 МПа) в Югославии.
Однако, как показал опыт Ингурской ГЭС, эта конструкция является достаточно сложной. В породах с глинистыми прослоями при наличии больших градиентов напора долговечность и фильтрационная прочность укрепительной цементации породы пока недостаточно изучены. Роль укрепительной цементации в части повышения деформативности и прочностных свойств породы не всегда четко определяется: иногда деформативные свойства породы не только не повышаются, но и ухудшаются. Контроль качества цементационных работ весьма трудоемок, проводится на сравнительно отдаленных друг от друга измерительных створах и поэтому не гарантирует полной надежности конструкции. Кроме того, обделка такого типа требует минимальных переборов породы и особо высокого качества производства бетонных и цементационных работ; промежутки времени между проходкой, укладкой бетона и цементацией должны быть как можно меньше, чтобы избежать выветривания породы, а это не всегда удается по условиям производства.
Все это показывает, что выбор описанного типа обделки, несмотря на ее экономичность, должен быть тщательно обоснован. В недостаточно однородных и прочных породах обделку рекомендуется армировать.
Для гидротехнических туннелей кругового очертания со сравнительно небольшими напорами воды, проходящими в породах средней крепости, могут оказаться целесообразным обделки из монолитно-прессованного бетона. Для безнапорных туннелей такие обделки могут быть рекомендованы при проходке туннелей в песчаных и других мягких породах, а также в породах средней крепости.
Монолитно-прессованные бетонные обделки обычно используют при механизированном щитовом методе проходки туннеля, при котором: процесс уплотнения бетонной смеси домкратами щита заключается в удалении из нее избыточной воды затворения и воздуха. Давление на бетонную смесь под торцом прессующего кольца составляет 1,0—1,5 МПа, длина участка прессования (заходка щита) находится в пределах 0,4—0,8 м, а толщина бетонной обделки при существующих проходческих щитах равна 20—35 см. Распалубка происходит через 12 ч после укладки (против 3—4 сут в обычном бетоне). Проведенные исследования монолитно-прессованных обделок показали, что предел прочности на осевое растяжение прессованного бетона примерно на 10— 15% выше, чем у обычного бетона.
Монолитно-прессованные обделки впервые были применены в Советском Союзе в конце 50-х годов в туннеле Сионского гидроузла диаметром 2,9 м, проходящем в глинах. В этом туннеле для бетонирования монолитно-прессованной обделки был использован агрегат Гиндина—Словинского. В настоящее время для проходки туннелей метрополитенов в Москве и Тбилиси, туннелей Большого Ставропольского канала и на р. Алгети близ Тбилиси, отводящего туннеля Жинвальской ГЭС, коллекторных туннелей использовались проходческие щитовые комплексы ТЩБ-3, ТЩБ-7.
Для одних и тех же условий по сравнению со сборными железобетонными обделками, также применяемыми при щитовой проходке, монолитно-прессованные обделки являются более экономичными. Однако при использовании этого типа обделки (при продольном торцевом обжатии) отмечается неравномерная прочность (в пределах 30—40%) бетона по длине обделки; имеет место недостаточная плотность и гладкость обделки в местах перехода от одной заходки к другой; происходит снижение начального обжатия обделки вследствие не только усадки и ползучести бетона, но и ползучести породы, окружающей туннель; кроме того, скорость сооружения туннелей с монолитно-прессованной обделкой значительно ниже, чем туннеля со сборной обделкой.
В институтах «Гидропроект» (Казахский филиал), «Метрогипротранс» и «Оргэнергострой» ведутся работы по совершенствованию монолитно-прессованных обделок, в частности, по применению радиального способа обжатия бетона в скользящей опалубке, обеспечивающего равномерную прочность бетона и повышение его качества.
Монолитные железобетонные нетрещиностойкие обделки применяют преимущественно в напорных туннелях, залегающих в мягких породах с f<4. Толщина таких обделок при расчете на внутреннее давление воды определяется в зависимости от диаметра туннеля по данным, приведенным в и. 16.2.1. При проектировании стремятся по возможности ограничить толщину обделки, поскольку ее повышение приводит также к необходимости увеличения расхода арматуры. Процент армирования нетрещиностойких обделок напорных туннелей определяется из условия ограничения раскрытия трещин допускаемыми значениями. Наибольший процент армирования не превышает 2%, а минимальный обычно назначается не ниже 0,5% из условия обеспечения равномерного размещения трещин по периметру обделки. При проектировании безнапорных туннелей минимальный процент армирования не ограничивается. Для трещиностойких обделок напорных туннелей минимальные проценты армирования принимаются не менее 0,3% для мягких пород (f<4) и не менее 0,15% для пород средней крепости (f>4).
Арматуру (класс АП и АШ) железобетонных обделок наиболее целесообразно изготавливать в виде связанных каркасов и стен, поскольку штучное армирование чрезвычайно трудоемкая операция и в подземных условиях занимает весьма длительное время. В туннелях армокаркасы выполняются целиком или из армоблоков, соединяемых по месту. Их изготавливают путем сварки плоских сеток с приваркой диагональных уголковых стержней, обеспечивающих пространственную жесткость для удобства складирования, перевозки и установки. Конструирование армоконструкций осуществляется в соответствии со СНиП П-56-77.
При значительном горном давлении в мягких породах (f<4) металлическая арочная крепь учитывается в работе бетонной обделки безнапорных туннелей в качестве жесткой арматуры. В частности, подобное решение для обделок туннеля, предназначенного для переброски части стока р. Ингури в Гальское водохранилище, и отводящего туннеля Жинвальской ГЭС позволило сэкономить значительное количество арматурной стали.
Типы железобетонных обделок, примененные на Нурекской ГЭС, приведены на рис. 16.4 и 16.5. Железобетонная обделка, предложенная Средазгидропроектом, прианкеренная к скале, позволяет значительно сократить материалоемкость обделки (рис. 16.5). Шпуровые дрены 1 диаметром 50 мм и длиной по 3 м располагаются через 5 м вдоль туннеля, а железобетонные анкеры 2 диаметром 25—28 мм и длиной по 2,5 м установлены через 1,3 м вдоль туннеля.
Железобетонные обделки наиболее целесообразны в безнапорных туннелях большого сечения некругового очертания, находящихся под действием значительного напора грунтовых вод (100—150 м). В этих условиях обделку дренируют для того, чтобы снизить давление воды на нее. Анкерование стен и лотка обделки способствует вовлечению породы в работу обделки.
В железобетонных обделках защитный слой бетона для рабочей арматуры предназначен для обеспечения совместной работы арматуры с бетоном на всех стадиях работы конструкции, а также для защиты арматуры от внешних воздействий, например воздействия агрессивной воды, истирающего действия наносов и т. и. Минимальный защитный слой бетона для рабочей арматуры монолитных железобетонных обделок назначается в пределах 3—5 см для неагрессивной среды и 4—6 см для агрессивной.
Толщина защитного слоя бетона для арматуры лотка и нижней части стен при истирающем воздействии влекомых наносов для строительных туннелей значительно повышается и назначается в пределах 10—15 см в зависимости от срока эксплуатации туннеля, скорости потока, количества твердого стока, крупности наносов, их состава и пр. Для снижения износа лотка и нижней части стен от действия влекомых наносов могут быть использованы специальные бетоны, в частности, возможно применение полимерных бетонов или покрытий.
Сопряжения между лотком и стенами туннеля обычно выполняют в виде вутов и скруглений. Строительные швы располагают в стенах непосредственно за вутом или на некотором расстоянии от него с учетом вида и размеров используемых армоконструкций. Деформационные швы в обделках гидротехнических туннелей, как правило, не устраивают. Они применяются лишь на участках пересечения зон крупных разломов или в местах примыкания обделок к массивным бетонным сооружениям. Обычно в деформационные швы закладывают противофильтрационные шпонки, например, из стальных полос.
