Облицовка от пръскан бетон и дисперсно армиране с макро-синтетични фибри
Магистралният тунел Овит (Ovit Dağı Tüneli) е с дължина 12.6 км и преминава през едноименната планина Овит, на надморска височина 2258 м в най-високата си точка. Още от самото начало, реализацията на проекта се сблъсква с множество проблеми, свързани с нестабилните склонове при порталите, сложни геоложки условия, разломени и водообилни зони. За да се увеличи скоростта на прокопаване по новоавстрийския тунелен метод (NАТМ) се взема решение тунелната облицовка да бъде изпълнена от пръскан бетон, дисперсно армиран с макро-синтетични фибри, които да заменят конвенционалната стоманена армировка. Очакванията на специалистите са по този начин да бъде постигнат бърз крепежен ефект, който да ограничи деформациите на скалния масив в рамката на проектните стойности.
Тунелът Овит, свързващ регионите Ризе (Икиздере) – Ерзурум (Изпир), е автомагистрален тип, състоящ се от две тръби, всяка от тях с дължина приблизително 12.6 км. Към северния му край е добавена тунелна галерия със същото вътрешно сечение, чиято функция е да защитава пътното платно от падащи лавини. Така общата дължина достига 14,7 км, като очакванията са по този показател тунелът да се нареди на четвърто място в света.
Проектът е на стойност 800 милиона турски лири (~514 милиона лева). Строителството на тунела и на обслужващите инсталации стартира през октомври 2012, а отварянето му за експлоатация се планира за 2016.
Тунелът Овит се състои от две еднопосочни тръби с размери на използваемото сечение 8.0 м х 5.0 м. Площта на напречното сечение (миньорски профил) варира от 88.72 до 115.97 м². Габаритът на финалната облицовка в най-широката част е 10.60 м, а размерът на изкопното сечение в най-широката му част е между 11.94 и 12.5 метра.
На фиг. 1 е показан типичен напречен профил на тунела във варианти със затворен профил и отворен профил (ТТС, 2013).
Фигура 1. Тунелът Овит – типично напречно сечение
За изграждане на първичният крепеж, съгласно основния проект трябва да бъдат използвани пръскан бетон (торкрет), армиран със стоманена мрежа и скални анкери. В областите на сложни почвени условия са предвидени допълнителни IPN стоманени ребра (от горещо валцован профил), а за укрепване свода на тунела – изпреварващ тръбен чадър от стоманени пръти с диаметър вариращ между 50.80 и 88.90 мм. Пробиването на тунелите е извършено от 4 забоя, посредством взрив в здравите скали и хидравличен чук в по-меките.
При прокопаването на 1000 м от трасето на тунела трябваше да бъдат преодолени трудности, свързани с нестабилни скатове, множество тектонски разломени зони с обилен водоприток, както и суровите климатични условия. Фигура 2 илюстрира типична зимна ситуация в която трябва да бъде реализиран проектът.
Фигура 2. Тунелът Овит през зимата на 2013
Строителство по NАТМ (новоавстрийски тунелен метод)
Класовете A1 и B1 съгласно NАТМ, съответстващащи на твърди скали са представени от лек, гъвкав крепеж. Клас B2 се прилага в преходните зони от твърди към по-слаби скали или обратно. Класовете В3 и С2 представляват корав и тежък крепеж, който се прилага в изветрелите зони. В допълнение, тези изветрели зони, образувани от натрошени, зърнести, неспоени (без кохезия) скали, са проводник на подпочвените води, дренащи се в тунела.
Съгласно основния проект за армиране на първичната тунелна облицовка от пръскан бетон, всички класове тунелен крепеж (гъвкав и корав) по NАТМ бяха проектирани така, че за армиране да се използва заварена стоманена мрежа.
Главната причина за този избор е нейната популярност и широко разпространение в строителната практика в Турция.
Основният проект за крепеж клас B1 включва единична армираща мрежа Q221/221 (Φ6/150 мрежа 221mm²/m) в комбинация с 10 см дебел пръскан бетон В30/37, плюс 6 или 7 броя SN пасивни скални анкери с дължина 4.0 м и диаметър Φ 28. За класовете B2, B3 и C2 е специфицирана двойна армираща мрежа Q221/221, пръскан бетон с увеличена дебелина и от 16 до 22 броя скални анкери на цикъл, включително стоманени ребра тип IPN 160 мм или IPN 200 мм. Крепеж клас С1, съгласно NАТМ, е предвиден за дълбоките тунелни секции, преминаващи през масивни гранити, където се проявява проблемът с образуване на обрушващи скални клинове. За този случай е проектът предвижда използване на двойна армираща мрежа тип Q589/378 (Φ10,5/150 и Φ8,5/150) (TTS, 2013).
Както при други големи тунелни проекти, така и при тунела Овит, главните цели при строителството са бърз напредък при безопасни условия на труд. Възможността за съкращаване на времето за инсталиране на крепежа е решаващо за увеличаване скоростта на строителство. По тази причина, беше проучена възможността пръсканият бетон да бъде армиран с фибри вместо със заварена стоманена мрежа.
Облицовка на тунела Овит, направена от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон
Макро-синтетични фибри
Използването на армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон в Турция е необичайно, предвид липсата на код за проектиране, както и на утвърдена строителна практика. По тази причина, заварената стоманена армираща мрежа е предпочитана. Въпреки това, Главната дирекция на магистралите в Турция (KGM), както и много от строителите са наясно с предимствата и приложимостта на армирания с фибри пръскан бетон. Именно тези предимства дават аргументи на (KGM) да улесни пътя за адаптиране и използване на макро-синтетичните фибри като армировка на тунелните облицовки в Турция. Резултатът от тези усилия не закъснява и синтетичните фибри са вече официално дефинирани за употреба в техническите спецификации на Главната Дирекция на Магистралите (KTS, 2006).
Нещо повече, освен характеристиките на самия материал, важно за експлоатационните качества на макро-синтетичните фибри за армиране на пръскан бетон, е награпяването на повърхността им. Съгласно Бартон (Barton), „Стоманените фибри на Dramix и най-добрите BarChip фибри (със специфично награпена повърхност) са еднакво приемливи по отношение на тяхната способност да повишават количеството на погълнатата от пръскания бетон енергия. Гладките фибри, предназначени за бетонни настилки не трябва да бъдат използвани в тунели“ (2012).
Главните предимства на армирания с макро-синтетичните фибри пръскан бетон, пред този, армиран със стоманената мрежа могат да бъдат резюмирани по следния начин (EPC Tunneling Booklet):
– Елиминирана е необходимостта от закрепване (на мрежата) – следователно се осигуряват по-безопасни условия на труд и се постига по-висока скорост при прокопаване на тунела;
– Създават се условия за постигане на по-високо качество на положения пръскания бетон;
– Намаляват се обемът и броят на кухините между облицовката и масива и се постига по-добър контакт между пръскания бетон и повърхността на скалите;
– Синтетичните фибри не корозират;
– Експлоатационните характеристики на пръскания бетон са по-високи, защото армировката присъства в цялата дебелина на пласта и е ориентирана във всички посоки (3D);
– Синтетичните фибри на повреждат оборудването и в сравнение със стоманените фибри осигуряват по-безопасни условия за работа.
Фигура 3. Микроскопско изображение на макро-синтетични фибри, показващо специфичния щанцован награпен релеф на повърхността им.
Програма за тестване и контрол на качеството на армирания с макро-синтетични фибри пръскан бетон
Тестовете за контрол на качеството на армирания с макро-синтетични фибри пръскан бетон бяха назначени в съответствие с изискванията на техническата спецификация за пръскан бетон на Главната Дирекция на Магистралите в Турция (KGM). Тези изисквания са сходни с Европейската спецификация.
Провеждане на изпитване върху плоча по EFNARC (БДС EN 14488-5) и резултати
Проведени са тестове, съгласно EFNARC (БДС EN 14488-5, Изпитване на пръскан бетон част 5: Определяне на капацитета за поглъщане на енергия от пробни плочи, армирани с влакна). Предвид местоположението на тунела Овит, приготвянето на плочи от пръскан бетон и транспортирането им до университетска лаборатория би било трудна процедура. По тази причина, в лабораторията контролираща качеството на обекта, беше инсталирано оборудване за изпитване на плочи съгласно EFNARC. Такова изпитване се провежда за първи път в обектови лаборатории на територията на Турция.
На фиг.4 са показани използваните за приготвяне на бетонните плочи (с размери 600 x 600 x 100 mm) стоманени форми. С оглед да се елиминира попадане на рикошет в пробата при запълване на формите, страниците им са монтирани към основите под ъгъл 45 градуса.
Пробите се доставяха в лабораторията и се оставяха да отлежават в специален съд до датата на изпитването. Транспортирането на пробите се извършваше така, че те да не бъдат повредени.
Фигура 4. Размери на формите 600x600x100 мм
Резултати от теста на плоча EFNARC (БДС EN 14488-5)
Изпитванията се провеждаха с помощта на полуавтоматична машина в лабораториите на обекта. Натоварването беше измервано посредством манометър, а преместването с индикатор, чийто ход е 50 мм (фиг. 5). Изпитанията се провеждаха върху проби на 7-мия и 28-мия ден. Беше установено, че съхраняването на толкова големи плочи в лабораторна вана създава много трудности. По тази причина, пробите тествани на 28-мия ден бяха изваждани от ваната след края на 7-мия ден.
Фигура 5. Система за тестване на панели по EFNARC (БДС EN 14488-5). Напукана в следствие на изпитване плоча от пръскан бетон, армиран с макро-синтетеични фибри
Фигура 6 показва резултати от изпитване на пробна плоча на възраст 28 дни и типичната крива натоварване-деформация. На фиг. 7 са изобразени осреднени, месечни резултати от изпитванията на проби на възраст 7 дни (Ovit Tunnel monthly activity report, 2013).
Фигура 6. Типична крива натоварване – деформация (преместване) на проба, на възраст 28 дни
Фигура 7. Месечен доклад за средни стойности от изпитване за определяне капацитета за поглъщане на енергия на плочи на възраст 7 дни, тунел Овит.
Обратен анализ – проверка и контрол на техническото решение
При строителството на тунела Овит беше приложена обширна програма за контрол на деформациите, като паралелно с това се провеждаха постоянни визуални наблюдения на тунелната облицовка. Данните бяха оценени и беше направен обратен анализ за да бъде установено, дали пръсканият бетон отговаря на проектните критерии и притежава необходимите експлоатационни характеристики.
Обратният изчисления бяха направени с помощта на софтуерния продукт Phase2 v 8.0.18, използвайки 2D анализ на крайните елементи.
Сравнение между армирана със стоманена армировъчна мрежа тунелна облицовка от пръскан бетон и такава, от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон
Началото на използването на синтетични армиращи фибри, вместо стоманена мрежа беше поставено при изкопните работи на северозападния вход (портал) на двутръбния тунел, при километър 61.522 и на югоизточния изход при километър 72.065.
Преди въвеждането на синтетични фибри, за армиране се използва стоманена мрежа, чието инсталиране изисква значително време и труд.
Съгласно дневниците за прокопаване за категория В1, там където не са инсталирани стоманени рамки и не е използвана стоманена мрежа, времето за завършване на един цикъл на прокопаване и укрепване беше съкратено с 30%. За другите категории съкращаването е 14%, като причина за това е фактът, че монтирането на стоманените мрежи върху рамките е по-лесно, в сравнение с местата без рамки. По всички класове крепеж работеха едни същи 5-ма работници, които бяха ангажирани само с монтажа на армировката в близост до всеки от забоите на тунела. Обрушването на малки скални късове създава проблеми с безопасността на работниците при закрепване на стоманената мрежа. В противовес, използването на армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон е безопасно, елиминира разходите за труд, както и времето необходимо за инсталиране и закрепване на армиращата мрежа.
Строителството на тунела се извършваше от 4 забоя, чрез взривяване в скалите категория В1 по NАТМ, като облицовка беше изпълнена от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон. Това доведе до увеличаване средната скорост на прокопаване от 7.10 м/ден, на 9.0 м/ден. Използването на крепеж от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон, доведе до 25% икономия на време. Изчисленията показват, че алтернативната дисперсна армировка, ще ускори реализацията на проекта със 106 дни, допринасяйки значителни икономии на средства.
Макар че изграждането на облицовка от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон улеснява процеса на строителство и увеличава скоростта му в сравнение с полагане на пръскан бетон, армиран със стоманена мрежа, правилното планиране на доставките и високото качество на сместа са от решаващо значение за реализиране на тези предимства. Важно условие за функциониране на пръскащата машина без блокажи е равномерното разпределяне на фибрите в бетонната смес. Без съмнение, квалификацията на оператора е ключов фактор за предотвратяване на големия рикошет и за осигуряване на дебелината и качеството на пръскания бетон, съгласно специфицираните технически изисквания.
Фигура 8. B1 клас – Облицовка от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон – тунел Овит
Лабораторните и полевите тестове, проведени при строителството на тунела Овит показват, че при направа на облицовката от пръскан бетон, макро-синтетичните фибри са една успешно приложена алтернатива на стоманена армираща мрежа. Резултатите от изпитванията на якостта на натиск, определена върху ядки, както и от тестовете за определяне жилавостта на армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон са в съответствие с изискванията на проекта. Измерените в тунела деформации са в договорените граници и обратният анализ показва, че облицовката от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон е в състояние да понесе товарите, действащи върху нея. Съгласно дневниците от прокопаването на тунела Овит, използването на армировка от макро-синтетични фибри е осигурило съкращаване на времето за строителство с минимум 25%, като всеобщото убеждение е, че при по-добро планиране, скоростта на прокопаване би се увеличила допълнително.
Армираният с макро-синтетични фибри пръскан бетон доказа своите предимства при строителството и спести време, елиминирайки процеса на монтаж и закрепване на армиращата стоманена мрежа. Беше установено в практиката, че тунелна облицовка от армиран с макро-синтетични фибри пръскан бетон ще бъде най-доброто и най-безопасно решение, осигуряващо висока скорост на прокопаване на тунели.
Материалът е публикуван с любезното съдействие на Лийф група.