Системы геодинамической безопасности при эксплуатации транспортных тоннелей для реализации стратегических транспортных проектов России

Вопросы по обеспечению безопасности при эксплуатации транспортных артерий актуальны во все времена. На виду всегда находятся задачи по обеспечению безопасности движения транспортных средств, водителей, пассажиров и пешеходов и связанные с этим состояние дорог, наличие разделительных полос, мест организованных пешеходных переходов. При этом в тени остаются вопросы, связанные с техническим состоянием искусственных инженерных сооружений, к которым относятся, в том числе и тоннели, - автодорожные и железнодорожные.

В настоящее время оценка тех­нического состояния транспортных тоннелей осуществляется на основа­нии инструкций и методических ре­комендаций. Так, например, для ав­тодорожных тоннелей такие работы выполняются на основании работы [1]. Состав работ по надзору вклю­чает визуальные осмотры и геодези­ческо-маркшейдерские наблюдения состояния конструкций автодорож­ных тоннелей с заданной периодич­ностью. Для железнодорожных тон­нелей такие работы выполняются на основании инструкции [2], в со­ответствии с которой выполняются визуальные осмотры с заданной пе­риодичностью. Контрольная нивели­ровка выполняется один раз в 5 лет.

К сожалению, при таком подхо­де, невозможно дать своевременную оценку технического состояния не­сущих конструкций, а тем более его прогнозировать, в силу наличия кос­венных факторов, способствующих искажению реальной оценки резуль­татов визуальных осмотров. Как, на­пример - неверная оценка значимости выявленных нарушений, формальный подход к выполнению рутинных за­дач, возможность доступа при нали­чии противопожарных конструкций (сплошных экранов по всей длине тон­неля, рис. 1), возможность визуально­го контроля на значительном рассто­янии (размеры поперечного сечения, освещенность), наличие специалиста в области «работы» подземных соору­жений (геотехника или геомеханика).

В случае обнаружения дефекта на внутренней поверхности обделки такой контроль не сможет сказать о причинно-следственных связях их возникновения. А это очень важный момент, поскольку если для одной категории нарушений их достаточно затереть ремонтным составом, то в других случаях это может означать необходимость разработки меро­приятий по реконструкции сооруже­ния, его усилению. Отсутствие свое­временной правильной трактовки в изменении технического состояния сооружения, в последующем может отразиться в кратном увеличении затрат на приведение тоннеля в до­статочное для эксплуатации техниче­ское состояние.

Ключевым фактором при оцен­ке технического состояния обделки тоннелей и соответственно безопас­ной эксплуатации является знание фактических параметров напряжен­но-деформированного состояния
несущих конструкций и вмещающего массива. Это осуществляется путем размещения в обделках специаль­ной контрольно-измерительной ап­паратуры.

Инновационной можно считать систему геодинамической безопас­ности на период эксплуатации, раз­работанной и реализованной при строительстве тоннелей совмещен­ной (автомобильной и железной) дороги Адлер - горноклиматиче­ский курорт «Альпика-Сервис». Эта система собирает и обрабатывает информацию одновременно с девя­ти транспортных тоннелей - автодо­рожные тоннели № 1, 2 и 3 и желез­нодорожные тоннели № 1-6 общей протяженностью подземных выра­боток около 32,5 км (рис. 2).

Вся контрольно-измерительная аппаратура, размещенная в обделках «Олимпийских» тоннелей подклю­чена к автоматизированной системе геодинамической безопасности, по­зволяющей контролировать напря­женно-деформированное состояние обделки при эксплуатации в режиме реального времени.

Информация с контрольно-из­мерительной аппаратуры 9 (девяти) тоннелей в режиме реального времени поступает на серверы мони­торинга в здание диспетчерской по автомобильной дороге и в здание диспетчерской по железной дороге. После обработки поступающих дан­ных информация визуализируется на отдельном АРМе, расположенном на столе перед диспетчером, осу­ществляющего контроль всех авто­матизированных систем безопасной эксплуатации тоннелей.

Эта система включает в себя сле­дующие подсистемы:

• контроль напряженно-дефор­мированного состояния (НДС) обде­лок-определение величин нормаль­ных тангенциальных напряжений в обделке и их сопоставление с рас­четными величинами и прочност­ными характеристиками материала обделки. Датчики были размещены в обделке при ее возведении, а в сборных обделках при ее изготовле­нии на заводе;
• оценка напряженно-деформи­рованного состояния системы «об­делка - массив» методом ЕЭМИ - регистрация вариаций излучения электромагнитных полей с целью контроля развития геодинамических процессов во времени в зонах раз­упрочнений
•  сейсмомониторинг - позволяет фиксировать амплитудно-частотные характеристики сейсмособытий в различных частотных диапазонах - от 0 до 6000 Гц (природного и тех­ногенного характера). Ускорения смещений, измеряемые трехкомпо­нентными акселерометрами, позво­ляют определить дополнительные величины напряжений в обделке в моменты сейсмособытий и сумми­ровать их с показаниями датчиков НДС обделки. В моменты сейсмо­событий на АРМ диспетчера выво­дятся результаты в баллах по шкале М5К-64.

Главной миссией функциониро­вания системы геодинамической безопасности является заблаговре­менное информирование владель­ца сооружений (эксплуатирующей организации) об актуальных и про­гнозных угрозах безопасной экс­плуатации для тоннелей и раннее предупреждение чрезвычайных (аварийных) ситуаций, связанных с изменением геодинамической и гидрогеологической ситуации во вмещающем массиве. Это дает воз­можность заранее разработать ме­роприятия по приведению сооруже­ний в безопасное состояние.

Полученные на сегодняшний день результаты позволяют отметить, что усилия в обделке через девять лет (семь лет эксплуатации тоннеля) значительно увеличились по сравне­нию с величинами усилий, которые сформировались через один год после ее возведения. Среди причин такого изменения - перераспределе­ние напряженного состояния между крепью и обделкой, вибродинамиче­ское влияние движения поездов на работу системы «обделка - крепь - вмещающий массив». Но самое главное, что система мониторинга позволяет знать о таких изменениях и прогнозировать изменение напря­женно-деформированного состоя­ния конструкций.

До 2030 года в России должны быть реализованы два националь­ных проекта: «Безопасные и каче­ственные автомобильные дороги» и «Железнодорожный транспорт и транзит». По информации Минтран­са РФ второй нацпроект в рамках Комплексного плана модернизации и расширения магистральной ин­фраструктуры будет разбит на три Федеральных проекта.

Под «призмой» законодатель­ной базы РФ, в частности, «ГРАДО­СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОДЕКС РОССИЙ­СКОЙ ФЕДЕРАЦИИ» от 29.12.2004 № 190-ФЗ и Федеральный закон Российской Федерации от 30 дека­бря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», система геодинамиче­ской безопасности при эксплуатации транспортных тоннелей принимает характер обязательного элемента, направленного на обеспечение техногенной безопасности и предупре­ждения чрезвычайных ситуаций. 

Учитывая большую роль разви­тия Восточного полигона железных дорог, в который входит самый про­тяженный и сложный Северомуйский тоннель, анализ работы автоматизи­рованной системы геодинамической безопасности на тоннелях Северного Кавказа является весьма актуальным для реализации такой системы на тоннелях БАМа и Транссиба, а в по­следующем на всей территории РФ.

Уже при проектировании Байкаль­ского тоннеля в 2014 году в состав сводных Технических условий, со­гласованных с Департаментом капи­тального строительства ОАО «РЖД», вошел раздел «Автоматизированные системы (АСУ ТП, система геодина­мической безопасности)». Сервера этих систем размещаются в Иркутске в здании ИВЦ, в диспетчерском пунк­те ПЧ-24 в г.Северобайкальск и ре­зервном диспетчерском пункте в зда­нии на Восточном портале тоннеля.

Этими Техническими условиями предусматривается возможность последующей интеграции си­стемы геодинамической без­опасности с аналогичными системами Мысовых, Коршу­новских и Обходных Северо- муйскихтоннелей.

В 2020 году строительство Байкальского тоннеля было закончено (рис. 3). Автоматизирован­ные системы, в том числе система гео­динамической безопасности, прини­маются в эксплуатацию в 2021 году.

Реализованная современная автоматизированная система гео­динамической безопасности имеет практическую и научную ценность, среди которых возможность прогно­за технического состояния обдел­ки, оценка воздействия на несущие конструкции сейсмических событий природного и техногенного характе­ра, получение новых научных резуль­татов по взаимодействию несущих конструкций подземных сооружений с вмещающим массивом в условиях эксплуатации.

Для безопасной эксплуатации транспортных тоннелей и прогноза состояния системы «обделка - вме­щающий массив» является целесо­образным создание аналитического центра по обработке и анализу базы данных систем геодинамической безопасности и геотехнического мо­ниторинга, выполняемого на эксплу­атируемых транспортных тоннелях,с целью усовершенствования и опти­мизации методологических и техни­ческих средств, а также обеспечения безопасной эксплуатации тоннелей.

Статья опубликована в журнале "Инженер и промышленник" № 1-2

Автор статьи: 

Михаил Лебедев, зам. ген. директора по научно-исследовательской работе, ОАО "НИПИИ Ленметрогипротранс" 

Список литературы: 

1. ОДМ 218.3.003-2010 «Методиче­ские рекомендации по содержанию ав­тодорожных тоннелей».
2. Инструкция по содержанию искус­ственных сооружений, утверждённая МПС РФ № ЦП-628 от 28.12.1998.