Effective methods for renovating operational ventilation shafts in the St. Petersburg metro

Full Text

Введение

Стволы вентиляционных шахт на любом объекте транспортной или горнодобывающей промышленности являются особо важными объектами инфраструктуры, обеспечивающими подачу свежего воздуха в сети выработок, станционных комплексов и тоннельных сооружений. В горнодобывающей промышленности шахтные стволы обеспечивают гораздо более широкий комплекс функций, связанный с спуском и подъемом работников, полезных ископаемых, материалов и оборудования [1]. В этой связи, обеспечение безопасной и длительной эксплуатации строительных конструкций объектов инфраструктуры метрополитена [2–4], равно как и шахтных стволов, является важной задачей, а решение проблемы промерзания конструкций стволов при проникновении воды, содержащейся в массиве пород – особо важной для регионов с низкими, циклично изменяющимися в течение зимнего периода температурами. Обделка (постоянная крепь) шахтных стволов должна обладать повышенной прочностью и водонепроницаемостью, способностью не изменять свои физико-механические свойства при замораживании и оттаивании, стойкостью по отношению к разрушающему воздействию агрессивных подземных вод.

Условия эксплуатации сооружений

Основными задачами системы вентиляции в метрополитене являются: удаление вредностей в виде газовых выделений (преимущественно углекислого газа), снижение уровней влажности и пыли, избыточного тепла, а также поддержание нормальных условий воздушной среды и микроклимата подземных сооружений. Вентиляционные стволы (расположенные у станций и на перегонах между ними), вентиляционные выработки и оборудование обеспечивают дымоудаление при возгораниях и задымлениях при пожарах, могут выполнять функции эвакуационных выходов (в случае наличия лестничных спусков в пространстве ствола) для пассажиров и работников метрополитена при чрезвычайных ситуациях.

В зимний период времени вентиляционные стволы, функционирующие в режиме приточной вентиляции, подвергаются воздействию низких температур воздуха, достигающих значений –25°С и ниже. Следствием этого является интенсивное промерзание обделки ствола и прилегающих грунтов, что усугубляется проникновением влаги через дефекты гидроизоляции. Строительные конструкции и оборудование вентиляционных стволов также подвергаются периодическому замерзанию и оттаиванию, что приводит к прогрессирующему износу строительных конструкций.

Вентиляционные выработки, как правило, залегают в плотных сухих глинах, тогда как вентиляционный ствол пересекает все слои грунтов инженерно-геологического разреза, в том числе толщу слабых обводненных грунтов четвертичных отложений [5–7]. В процессе эксплуатации это оказывает существенное влияние на техническое состояние обделки сооружения [8, 9].

Наличие водоносных горизонтов в четвертичных отложениях и фильтрующих грунтов оказывает негативное влияние на тампонажные растворы, приводя к нарушению их структуры и последующему вымыванию, что способствует аккумуляции воды непосредственно за обделкой ствола. В условиях знакопеременных температур вода в образовавшихся полостях замерзает, увеличиваясь в объеме. Присутствующие за обделкой грунтовые воды оказывают негативное воздействие на тампонажный раствор, приводя к нарушению его структуры, последующему вымыванию. Данный процесс приводит к прогрессирующему во времени скоплению воды непосредственно за обделкой [10–12]. В период действия отрицательных температур наружного воздуха вода, находящаяся в образовавшихся полостях за обделкой ствола, замерзает и расширяется в объеме. С учетом наличия отпора грунта, а также с учетом его возможного промораживания, расширение проявляется в виде деформации обделки внутрь ствола. Для обделки из чугунных тюбингов характерно хрупкое их разрушение с отделением (откалыванием) фрагментов тюбинга и падением внутрь ствола (Рис. 1).

 

Рис. 1. Разрушение ребра тюбинга со смещением

Fig. 1. Destruction of a lining element with displacement

 

Циклическое повышение давления со стороны грунтового массива вызывает износ конструкций, повреждение обделки (крепи) и, как следствие, потенциально аварийные ситуации, характеризующиеся поступлением воды и грунтовых масс в ствол. Знакопеременный температурный режим с многократными циклами промерзания-оттаивания усугубляет условия эксплуатации конструкций. Данная проблема характерна для вентиляционных выработок, работающих на приток воздуха в холодное время года, не только в Северо-Западном регионе России (в частности, в Санкт-Петербурге), но и в других регионах с устойчивыми отрицательными температурами ниже –25°С.

существующие материалы и методы

В настоящее время для ремонта и усиления обделок существующих стволов шахтной вентиляции в Петербургском метрополитене используется технология устройства железобетонных рубашек, основанная на применении стандартных методов строительства. Данный метод предполагает устройство высокопрочной внутренней рубашки из монолитного железобетона с гидроизоляцией. К недостаткам такого решения следует отнести значительное количество технологических операций, длительные сроки выполнения работ, высокую стоимость гидроизоляционных работ и отсутствие теплоизоляции, что может привести к повреждению железобетонной рубашки при промерзании обделки и повторного появления дефектов.

Для защиты обделки вертикальных выработок от промерзания применяются различные способы теплоизоляции, которые характеризуются многооперационностью, существенным уменьшением полезного сечения выработки и высокой стоимостью, такие как:

• установка устройств или оборудования принудительного обогрева (например, тепловентиляторы, греющие кабели и панели, инфракрасные источники);
• установка защитных устройств внутри стволов (конструктивное решение – съемные панели и несъемная опалубка);
• применение защитных (теплоизолирующих) материалов при ремонте стволов (растворы, смеси, напыляемые материалы).

Эксплуатационная надежность и безопасность объектов инфраструктуры метрополитена является приоритетной задачей, требующей постоянного внимания [2–4]. Не менее важным является увеличение продолжительности эксплуатации объектов в межремонтные периоды и снижение затрат на ремонт и эксплуатацию. Для решения указанных задач и минимизации негативного воздействия отрицательных температур на обделку вентиляционных стволов, с 2016 года Петербургским метрополитеном совместно с кафедрами «Тоннели и метрополитены» и «Инженерная химия и естествознание» Петербургского государственного университета путей сообщения проводятся исследования конструктивно-технологических решений по реновации вентиляционных стволов с использованием конструкционно-теплоизоляционных рубашек. Концепция предлагаемого конструктивно-технологического решения заключается в объединении функций усиления (железобетонная рубашка) и теплоизоляции в единую конструкцию на основе специальных видов бетона. Бетонирование рубашки осуществляется с одновременным заполнением ячеек тюбингов, что исключает трудоемкую и продолжительную операцию предварительного заполнения ячеек [12, 13]. Напыляемая гидроизоляция наносится на поверхность тюбингов до начала бетонирования.

Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования

Анализ многочисленных способов и вариантов расчетных схем [14, 15], а также применения различных видов бетонов, обладающих теплоизолирующими свойствами, позволил установить, что наиболее приемлемым вариантом является применение пеностеклобетона. При этом, необходимые параметры по теплоизоляционным свойствам рубашки из пеностеклобетона подбирались на основе расчетной математической модели (Рис. 2).

 

Рис. 2. Общий вид математической модели тюбингов обделки с пеностеклобетонной рубашкой

Fig. 2. Overall view of the mathematical model of lining elements with foam-glass concrete jacket

 

Расчетно-теоретические исследования показали, что для формирования теплоизоляционной обоймы внутри вентиляционных стволов метрополитена (для условий Санкт-Петербурга), необходимо применение материала со следующими техническими характеристиками: прочность на сжатие не менее 7,5 МПа; морозостойкость не менее F100; теплопроводность не более 0,2 Вт/(м∙K); водонепроницаемость не менее W6.

В ходе дальнейшей работы был произведен подбор состава пеностеклобетона, удовлетворяющего приведенным выше показателям, и появилась возможность произвести экспериментальные исследования.

Процесс опытного заполнения теплоизоляционной обоймы и оценка теплоизоляционной способности подобранного состава пеностеклобетона проводились на специальной физической модели, изготовленной в натуральную величину. Моделировался участок вентиляционного ствола из чугунных тюбингов наружным диаметром 5,49 м, на внутреннюю поверхность которых наносился слой напыляемой гидроизоляции, и в последующем осуществлялась установка арматурного каркаса. После монтажа температурных датчиков производилось бетонирование обоймы из пеностеклобетона.

Для исследований была разработана специальная климатическая установка (Рис. 3), позволяющая поддерживать температуру воздуха с внутренней стороны рубашки в диапазоне –25…–30°С. Температура модели при различных уровнях температурных воздействий фиксировалась в разных точках по глубине – на внутренней поверхности рубашки, в уровне первого и второго ряда арматуры, в уровне ребер и спинки тюбингов и за обделкой в грунтовом массиве.

 

Рис. 3. План-схема размещения холодильных установок

Fig. 3. Layout of refrigeration units

 

Результаты проведенных исследований позволили сделать следующие выводы:

• При задании температуры внутри камеры в пределах –25…–30°С промораживания тела рубашки не произошло при продолжительности воздействия 24 дня.
• Температура на контакте наружного контура обделки и обводненного грунта не опускалась до температуры замерзания воды.

Наиболее важным этапом в процессе решения задачи об исключении промораживания обделки вентиляционных стволов после ремонта стало внедрение технологии на действующем стволе вентиляционной шахты метрополитена.

На выбранном объекте, согласно, плану капитального ремонта, была создана конструкционно-теплоизоляционная рубашка из пеностеклобетона, смонтирована система мониторинга температур внутри ствола, за обделкой и в различных уровнях по глубине теплоизоляционной усиливающей рубашки.

Выполненные экспериментальные исследования, капитальный ремонт действующего опытного ствола и довольно продолжительный период мониторинга (более 3 лет) позволили подтвердить эффективность принятых конструктивно-технологических решений и сформулировать ряд требований к производству работ по устройству теплоизоляционной рубашки. В частности, для повышения теплоизоляционной эффективности и увеличения скорости возведения конструкционно-теплоизоляционной рубашки – заменить арматурный каркас на дисперсное армирование с применением фибры.

Результаты

По результатам дальнейших исследований разработан модифицированный состав пеностеклобетона с введенной в него щелочестойкой и огнестойкой фиброй на основе диоксида циркония. Состав защищен патентом № 2823634 Российской Федерации «Теплоизоляционный бетон» от 09.01.2024 [16]. Прочностные характеристики состава представлены в Табл.

 

Таблица. Прочностные характеристики модифицированного пеностеклобетона

Table. Strength characteristics of modified glass-foam concrete

Средняя плотность бетона, кг/м3	800-900
Прочность на сжатие, МПа: ·       через 24 часа ·       через 48 часов ·       через 72 часа ·       через 7 суток ·       через 28 суток	≥ 4,0 ≥ 6,5 ≥ 8,5 ≥ 18,0 ≥ 26,0
Класс по прочности на сжатие	≥ В20
Прочность на растяжение при изгибе, МПа: ·       через 28 суток	≥ 3,3
Морозостойкость, марка F1	≥ 300
Водонепроницаемость, марка W	≥ 6
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м∙˚С	≤ 0,15

 

Для подтверждения теплоизоляционных свойств пеностеклобетонной рубашки был выполнен термодинамический расчет, по результатам которого установлено, что промораживания чугунной обделки и грунта в заобделочном пространстве не происходит.

Конструктивно-технологическое решение перехода к без арматурной технологии с использованием модифицированного пеностеклобетона с фиброй, позволяет:

• Сократить сроки выполнения работ по реновации вентиляционных шахт (в связи с отсутствием необходимости монтажа арматурного каркаса).
• Улучшить теплоизоляционные характеристики обоймы (отрицательные температуры не передаются по стержням арматуры).

С учетом усовершенствованного состава пеностеклобетона и доработки технологии производства ремонтных работ, было начато проектирование капитального ремонта одной из действующих шахт метрополитена.

Заключение

По результатам выполненных расчетно-аналитических исследований и реализованных работ в рамках реновации действующего ствола шахтной вентиляции Петербургского метрополитена удалось добиться исключения промерзания обделки. Разработанная конструкция усиливающей теплоизоляционной обоймы (теплоизоляционной рубашки) на основе пеностеклобетона способна полноценно выполнять заявленные функции и защищать обделку стволов вентиляционных шахт от промерзания. В свою очередь, с учетом качеств ремонтного материала, задача обеспечения долговечности и безопасной, бесперебойной эксплуатации объектов, задействованных в системе вентиляции подземных сооружений в условиях знакопеременных и экстремально низких температур, может быть решена не только на территории Северо-Западных регионов России.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors declare that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Е. G. Kozin

Petersburg Metro

Author for correspondence.
Email: ns@metro.spb.ru
SPIN-code: 1576-6514

Cand. Sci. (Engineering), Head

Russian Federation, St. Petersburg

A. P. Ledyaev

Emperor Alexander I. St. Petersburg State Transport University

Email: tunnels@pgups.ru
SPIN-code: 5165-9488
Scopus Author ID: 57211346525

Dr. Sci. (Engineering), professor

Russian Federation, St. Petersburg

D. L. Burin

Petersburg Metro

Email: Burin.D@metro.spb.ru

Deputy Head

St. Petersburg

References

Supplementary files