Конструкции металлических труб

На железных дорогах в условиях сурового климата широкое распространение получили металлические гофрированные трубы.

Металлические гофрированные трубы относят к типу бесфундаментных конструкций. По форме поперечного сечения они бывают круглые, овоидальные, арочные и эллиптические. В отечественной практике наибольшее применение нашли круглые металлические гофрированные трубы (МГТ) диаметром 1–3 м. Они предназначены для пропуска периодически действующих водотоков в обычных и суровых климатических условиях. Преимущественно МГТ применяются при высоте насыпи до 13 м [24].

В настоящее время разработан типовой проект МГТ: №ГС 3.501.3 – 133 – Трубы водопропускные круглые отверстием 1,5–3 м из гофрированного металла для железных и автомобильных дорог (Ленгипротрансмост, 1985 г.).

Основными конструктивными элементами данных труб являются грунтовая подушка основания, металлоконструкция тела трубы, грунтовая призма, оголовки (рис. 7.22) [24].

Рис. 7.22. Схема металлической гофрированной трубы: а – вид вдоль оси трубы;
б – поперечное сечение трубы; 1 – верхняя отметка грунтовой призмы; 2 – гофрированная труба; 3 – бетонный блок; 4 – лекальный бетонный блок; 5 – гравийно-песчаная подушка; 6 – лоток; 7 – грунтовая призма

Грунтовая подушка и грунтовая призма обеспечивают совместную работу гибкой конструкции трубы с окружающим грунтом. Надежность конструкции «грунт–труба» зависит от технологически правильно сооруженной засыпки, грунт которой должен быть уплотнен с коэффициентом уплотнения не менее 0,95 [11, 24]. Размеры грунтовой призмы принимаются с учетом исследования взаимодействия труб с грунтом (рис. 7.22).

Металлические гофрированные трубы, как правило, выполняются без оголовков и выступают из насыпи с вертикальным или наклонным торцом. Вертикальный торец трубы выступает из насыпи на 0,2–0,3 м на уровне ее подошвы, а наклонный – на 0,5 м (рис. 7.23).

Типовые гофрированные трубы круглого сечения изготовляются из стали марки 15сп для районов с обычным климатом и из низколегированной стали марки 09Г2Д для суровых условий.

Трубы состоят из гофрированных листов в виде сегментов размером 1760´90 мм, толщиной 1,5–2,5 мм с гофром 130´32,5 мм. Гофрированные листы имеют отверстия под болты. Продольные и поперечные стыки сегментных элементов трубы выполняются внахлестку обычными болтами диаметром 16 мм с плосковыпуклыми и плосковогнутыми квадратными шайбами [11, 24]. Продольные стыки
состоят из двух рядов болтов, расположенных на гребнях и впадинах
гофра в шахматном порядке, а поперечный стык выполняется однорядным
с шагом болтов, равным 200 мм (рис. 7.24).

Для соединения гофрированных листов трубы применяются высокопрочные болты с фигурными головками и гайками или шайбами. Для защиты от коррозии металлические листы в заводских условиях выполняются с цинковым покрытием и толщиной слоя не менее 80 мкм.

Поверхности труб дополнительно покрывают битумом, эпоксидной смолой или полимерной эмалью для защиты от агрессивности окружающей среды.

Кроме того, в трубах устраивают лотки из монолитного или сборного бетона, а также асфальтобетона толщиной на 2 см выше гофр. Угол охвата трубы лотком предусматривают не менее 90^о. Рекомендуют армировать бетон металлической сеткой с ячейками по 15 см из проволоки диаметром 3–4 мм. Сетки укладывают на гребни гофра и отгибают на 30 см у входного и выходного торцов трубы, а также закрепляют в отдельных местах непосредственно к лотку.

Засыпку МГТ осуществляют песчаными, супесчаными или суглинистыми грунтами послойно с тщательным уплотнением каждого слоя. Толщина засыпки над трубой на железных дорогах должна быть не менее 1,2 м [11, 24]. Типовые трубы применяются при высоте насыпи до 20 м.

Металл труб подвержен сложному воздействию нагрузок от собственного веса, подвижного состава, атмосферы, подводной и грунтовой коррозии. Протекающая через конструкцию вода вызывает абразию металла из-за наносов. Поэтому к металлу трубы предъявляют повышенные требования по антикоррозионной стойкости, особенно в условиях сурового климата. В этих целях применяется металл большей толщины [25].

За последние годы получили распространение металлические водопропускные трубы арочного сечения (рис. 7.25).

а	б
в	Рис. 7.25. Металлические гофрированные трубы арочного сечения: а, б – поперечное сечение; в – входной оголовок

7.4. Водопропускные трубы в условиях
наледеобразования

При проектировании и сооружении водопропускных труб в условиях возможного образования наледей предусматривают специальные мероприятия. Наледи оказывают опасное воздействие на трубы. Они могут заполнить отверстие льдом и создать угрозу движению поездов при выходе наледных вод на полотно дороги (рис. 7.26).

а

б

Рис. 7.26. Заполнение отверстия трубы наледью: а – полностью; б – частично на предельно допускаемую величину

Особую опасность развитие наледных процессов представляет в совокупности с воздействием таких явлений, как деградация вечномерзлых грунтов, пучение грунтов основания, расстройство деформационных швов между секциями, обводнение откосов насыпи в зоне трубы.

Согласно существующей классификации наледных образований [3,4], наибольшую опасность для водопропускных труб имеют наледи грунтовых вод рыхлой толщи и подземных вод.

Наледи грунтовых вод рыхлой толщи питаются грунтовыми водами поверхностных водоносных горизонтов: верховодкой; надмерзлотными или межмерзлотными водами, циркулирующими по слоям талика среди вечномерзлых грунтов; водами выветрелого щебенисто-трещиноватого слоя скальных пород; подмерзлотными водами, проникающими по трещинам и разломам вечномерзлого грунта. Их подразделяют на наледи грунтовых вод с водоупором из немерзлых пород и с водоупором из мерзлых пород (рис. 7.27) [3].

Рис. 7.27. Схемы образования наледей грунтовых вод: а – на участках русел с нарушением естественного мохово-растительного покрова; б – на участках русел и логов при стеснении подруслового потока фундаментом трубы; Н_В – глубина залегания водоупора; h_мпр – глубина максимального промерзания на конец морозного периода; h_В – глубина залегания уровня грунтовых вод; h_пр – глубина промерзания грунта в природных условиях; 1 – снежный покров; 2 – промерзающий слой грунта; 3 – водоносный слой грунта; 4 – уровень грунтовых вод; 5 – водоупор; 6 – водопропускная труба

Данные виды наледей могут формироваться в течение всего зимнего периода. Наледи грунтовых вод возникают от излияния и замерзания воды при вскрытии или местном перемерзании верхних водоносных слоев.

Наледи подземных вод бывают с ненапорными и напорными подземными водами. Учитывая продолжительность их существования и периодичность действия, при проектировании труб необходимо учитывать сезонные наледи и многолетние подземные наледные образования в виде бугров, пучения и гидролакколитов.

На водотоках с наледями водопропускные трубы проектируются таким образом, чтобы наледи не создавали затруднения в течение всего срока службы [3]. Это достигается применением соответствующих конструкций труб, организацией зимнего стока, строительством противоналедных сооружений.

Водопропускные трубы на водотоках с наледями проектируются на основе данных инженерно-геологического обследования водотоков и прогнозирования наледных процессов, по которым определяют основные параметры наледи [3, 4].

На водотоках с прогнозируемыми наледями при проектировании труб необ­ходимо предусматривать противоналедные мероприятия и устройства [3, 4].

В зависимости от характера борьбы с наледями противоналедные мероприятия подразделяют на пассивные, которые ослабляют наледное воздействие, но не оказывают влияние на факторы наледеобразования, и активные, ликвидирующие наледеобразовательные процессы и устраняющие их воздействие на сооружения.

Кроме того, противоналедные мероприятия и устройства подразделяют на постоянные и временные [4]. Постоянные противоналедные устройства применяют в случаях, когда наледи могут вызывать нарушение нормальной работы труб или создавать опасность для движения поездов и устойчивости конструкций. Временные противоналедные устройства применяют при непосредственном ограждении пути и водопропускных труб от наледей, возникающих в период или после их строительства, а также, когда для сооружения постоянных противоналедных мероприятий необходимо продолжительное время.

К пассивным противоналедным устройствам относятся постоянные и временные дощатые, из инвентарных конструкций, шпальные или железобетонные заборы, устраиваемые в непосредственной близости от трубы; задерживающие валы из снега, льда или грунта, а также устройство временных лотков для пропуска наледных вод. Чаще всего они служат как временные мероприятия в начальный период эксплуатации труб.

К активным противоналедным сооружениям относятся спрямление и регулирование стока водотока при отсутствии вечной мерзлоты или глубоком ее залегании; устройство защитных дамб; отвод воды, образующей наледь; устройство постоянных земляных валов с заборами, мерзлотных поясов, мерзлотно-водонепроницаемых экранов в сочетании с удерживающими противоналедными конструкциями.

Согласно нормативным документам сооружение водопропускных труб в условиях возможного наледеобразования ограничено и допускается только в комплексе с постоянными противоналедными мероприятиями.
Типовое проектирование предусматривает для этих условий проект: №ГС 3.501-65, инв.№1130/1,2 – Водопропускные прямоугольные бетонные трубы для железных и автомобильных дорог при расчетной температуре минус 40 ^оС и ниже, глубоком сезонном промерзании и наледях. Бетонные трубы при этом применяют отверстием 3–4 м.

На водотоках с прогнозируемыми наледями допускают применение железобетонных прямоугольных и круглых с плоским основанием труб на свайном при благоприятных грунтах основания и столбчатом фундаментах. Кроме того, данные конструкции труб могут опираться на песчано­гравийные или теплоизоляционные подушки из искусственного материала (пенопласт, полистирол и др., рис. 7.28) [3].

На водотоках с возможным наледеобразованием применяют следующие варианты пропуска наледи:

· частичного заполнения и пропуска наледи через трубу;

· безналедного пропуска водотока.

На водотоках с наледями при частичном пропуске наледи через сооружение находят применение двухъярусные прямоугольные трубы, рассчитанные на пропуск паводковых вод по верхнему ярусу при заполнении льдом нижнего яруса: конструкция двухъярусной трубы была разработана С.И. Гапеевым [3] (рис. 7.29).

Рис. 7.28. Схема круглой трубы с лекальным блоком на теплоизоляционной подушке: а – вид вдоль оси трубы; б – поперечный разрез секции трубы; 1 – секции; 2 – оголовок; 3 – фундаментная плита; 4 – теплоизоляционная подушка; 5 – уровень грунтовых вод; 6 – глубина сезонного промерзания; 7 – водоупор; 8 – укрепление русла; 9 – водоносный слой

Рис. 7.29. Схема сборной железобетонной двухъярусной трубы: а – вид поперек оси трубы; б – вид вдоль оси трубы; 1 – сборные звенья фундамента трубы; 2 – железобетонные звенья; 3 – отверстия в железобетонных звеньях размером 0,5´1,0 м; 4 – крылья оголовков; 5 – распорки

Фундамент трубы выполнен из железобетонных полых коробов, на которые в два яруса устанавливаются прямоугольные звенья и крылья оголовков. Труба имеет два отверстия 2´2,5 м. Между ярусами в звеньях предусмотрены отверстия размером 0,5´1,0 м. Если основание трубы состоит из вечномерзлых или скальных грунтов, то их можно проектировать на столбчатом фундаменте.

Применение труб с частичным заполнением наледью (рис. 7.30) требует учета ее влияния на элементы труб и земляное полотно. В этих целях рекомендуют земляное полотно отсыпать из дренирующего грунта, предусматривать бермы и специальные укрепительные мероприятия откосов насыпи в зоне труб [24].

Рис. 7.30. Труба с частичным заполнением наледью

Безналедный пропуск водотока характеризуется тем, что создает оптимальный тепловой режим в зимнее время на подходах и в пределах сооружения [3].

Для этого при проектировании и строительстве водопропускных труб применяют заграждающие противоналедные мероприятия и устройства. Наиболее эффективным на наледных участках является комплекс противоналедных сооружений, состоящий из земляного вала, водонепроницаемого экрана из мятой глины и замораживающей установки (промораживающего устройства) для выхода наледных вод на дневную поверхность грунта (рис. 7.31) [26].

Высоту вала назначают выше наибольшей мощности прогнозируемой наледи не менее чем на 0,5 м. Высота вала не превышает 3 м, а длина полностью перекрывает наледный лог. Ширину вала поверху назначают от 1 до 3 м [3].

Рис. 7.31. Комплекс противоналедных устройств в зоне трубы: 1 – водонепроницаемая льдогрунтовая область; 2 – замораживающая установка; 3 – горизонтальный водонепроницаемый экран; 4 – наледь; 5 – земляной вал; 6 – уровень вечномерзлого грунта

К числу долговечных противоналедных сооружений относятся железобетонные заборы, которые состоят из свай-стоек с противопучинными устройствами заанкеривающего типа и щитов в виде тонкостенных железобетонных плит (рис. 7.32) [3, 4, 26].

Рис. 7.32. Схема противоналедного железобетонного забора: а – вид вдоль оси трубы; б – поперечное сечение забора; 1 – свая-стойка; 2 – тонкостенные железобетонные плиты; 3 – наледь; 4 – горизонтальный противофильтрационный экран

Сборные плиты выполняют сечением 4´0,5 м, вставляют в пазы столбов или навешивают со специальными креплениями.

В панелях над руслом водотока заполнение заборов весной разбирается.

Постоянные противоналедные сооружения способствуют активизации процесса наледеобразования и удержанию наледи в отдалении от водопропускной трубы.

В целях эффективности удерживающие противоналедные конструкции сочетают с устройствами, обеспечивающими концентрацию наледных процессов выше по течению водотока от расположения трубы.

Сезонные грунтовые, наледные и мерзлотные пояса представляют собой участки местности в зоне ограждаемых сооружений, с которых удаляют растительный покров, кустарник, а также снег в зимний период. В качестве ограждений применяется забор из сеток, мешковины и др. На пути грунтовых вод создают водонепроницаемый экран за счет ускоренного промерзания грунтов деятельного слоя с последующим образованием наледей в отдалении от ограждаемых водопропускных труб [3,26].

Наледный пояс представляет собой расчищенную и спланированную площадку, покрытую гравием или галькой, на которой поток наледеобразующей воды распластывается тонким слоем и интенсивно охлаждается. Для повышения шероховатости на участке делают наброску из отдельных камней. Замерзание воды и формирование наледи происходит ниже наледного пояса (рис. 7.33) [6].

Рис. 7.33. Схема наледного пояса: а – комплекс устройств наледного пояса; б – каменный пояс; 1 – противоналедный вал; 2 – наледь; 3 – наледный пояс; 4 – источник наледи; 5 – отдельные камни; 6 – уплотненная каменная наброска из гальки

Грунтовые мерзлотные пояса применяют для вывода воды на поверхность и задержания наледей грунтовых вод с небольшим дебитом при глубине залегания водоупора не более 3 м. Грунтовый мерзлотный пояс представляет собой канаву шириной по дну 1–3 м. Глубину канавы определяют с учетом того, что под ее дном глубина сезонного промерзания достигает водоупора, а на пути грунтовых вод лога образуется мерзлотная перемычка.

С низовой стороны канавы устраивают заградительный грунтовый вал, а с верховой – расчищенную от снега полосу шириной 5 м. Для полного перехвата потока грунтовых вод концы канавы врезаются в борта лога, а ее дно устраивается с уклоном не менее 0,005. Откосы канавы имеют уклон 1:2 (рис. 7.34) [3].

Рис. 7.34. Схемы мерзлотных поясов: а – сезонные для грунтовых вод; б – грунтовые с валом; 1 – рыхлый снег; 2 – уплотненный снег, облитый водой;
3 – удаленный мохово-растительный покров; 4 – граница сезонного промерзания; 5 – водоупор; 6 – водоносный слой; 7 – мерзлотная перемычка при слиянии сезонной мерзлоты с водоупором; 8 – вал из грунта; 9 – водопропускная труба

Вместо мерзлотных поясов для перехвата грунтовых вод и вывода их на поверхность находят применение водонепроницаемые экраны [3]. Экраны могут быть из глины, торфа, шпунтовых стенок. Экраны из глины или торфа устраивают при залегании водоупора до 2,5 м. Они представляют собой траншеи шириной 0,5–1 м, устроенные поперек лога и заполненные глиной или торфом. Низ экрана на 0,3–0,5 м заглубляют в водоупор. С низовой стороны экрана возводится задерживающий вал или забор, который располагается от трубы на расстоянии не менее десятикратной их высоты [3].

Шпунтовые экраны устраивают при расположении водоупора на глубине более 2,5 м. В зависимости от рода грунта основания может применяться деревянный шпунт из просмоленных брусьев или металлический, который забивается на 0,5 м ниже дневной поверхности. С низовой стороны устраивается задерживающий вал или забор [3].

Для обеспечения безналедного пропуска поверхностных или подземных вод необходимо создать условия для концентрации водотока на подходах и в пределах трубы с целью оптимального теплового режима. В этих целях за пределами конструкции трубы выполняют спрямление и углубление русла водотока с устройством специальных железобетонных утепленных лотков открытого и закрытого типов, а в пределах трубы – утепленный лоток (рис. 7.35, 7.36) [3,4].

Рис. 7.35. План расположения утепленного железобетонного лотка в зоне водопропускной трубы: а – план; б – конструкция водозаборника; в – конструкция водоприемника; 1 – водозаборник; 2 – железобетонный лоток открытого типа; 3 – то же закрытого типа; 4 – водоприемник; 5 – снегозадерживающие щиты; 6 – труба; 7 – оголовок; 8 – снег

Рис. 7.36. Конструкция секции трубы с утепленным лотком: а – поперечное сечение секции; б – поперечное сечение лотка; 1 – общий вид лотка; 2 – крышка; 3 – утеплитель; 4 – бетонный или железобетонный лоток

Кроме того, в качестве средств противоналедной борьбы находят применение различные дренажные устройства [26]. При соответствующих местных условиях используют дренаж-каптаж [3]. Он представляет собой сочетание дренажа и каптажного устройства. Дренаж-каптаж устраивают с верховой стороны трубы. Каптажный приемник выполняют из каменного заполнителя, в дно которого втрамбовывают щебень для предотвращения размыва грунта.

Большое значение при борьбе с грунтовыми наледями имеет осушение местности, особенно сильно заболоченных склонов. Когда выходы наледеобразующей воды находятся на ближних подступах к трубам, устройство закрытых дренажей может полностью ликвидировать образование наледей [3].