Модернизация портовых конструкций с использованием новейших технологий

Колгушкин А.В., Соколов А.В. Статья «Модернизация портовых конструкций с использованием новейших технологий» в журнале «Гидротехника XXI»

Введение

В России существует большое количество морских и речных при­чальных сооружений различных по назначению, по конструкциям и форме. Их классификация весьма сложна, тем не менее, можно выделить некоторые общие признаки, которые могут быть положены в основу классификации портовых ГТС. К числу основных признаков можно отнести:

– функциональное назначение сооружения и его класс;

– тип и особенности конструкции сооружения;

– технологические, эксплуатационные требования и срок эксплуатации.

Причальные сооружения обеспечивают безопасность судов при стоянке и возможность выполнения перегрузочных операций. Различают три типа причальных сооружений: пирсы, набережные стенки, рейдовые причалы  (см. рис. 1).

Рис. 1 – Основные типы конструкций причальных сооружений

В зависимости от эксплуатационных требований и сроков службы причальные ГТС делятся на постоянные и временные. Постоянные сооружения, предназначенные для длительной эксплуатации, учитывая степень их важности, подразделяются на основные и второстепенные. К основным относятся такие, выход которых из строя при аварии или полном разрушении существенно нарушает работу всего предприятия или важной его части. Примерами основных сооружений являются грузовые и пассажирские причалы.

В России пик гидротехнического строительства начался в 50-х годах XX века. Стране были необходимы новые причальные сооружения для осуществления снабжения и перевозки грузов. Большинство этих гидро­технических объектов было построено в период с 1945 по 1991 годы. В те времена использование металлических конструкций в гидротехническом строительстве требовало определенных разрешений. Поэтому большинство конструкций строилось из железобетона. Конструкции причалов были массивными. В основном это были сооружения III класса.

В соответствии со СНиП 33-01.2003 постоянные морские гидротех­нические сооружения в зависимости от предъявляемых к ним требований в отношении запасов устойчивости и прочности, долговечности и общей надежности подразделяются на четыре класса капитальности. К сооружениям I класса относят основные сооружения, имеющие особо важное на­роднохозяйственное значение, отказы которых приводят к опасности для жизни людей и весьма большим экономическим потерям. Вероятность без­отказной работы таких сооружений 0.97, срок службы – около 60 лет. К IV классу относят временные сооружения, вероятность безотказной работы их равна 0,80. В табл. 1 приведены классы основных ГТС морских портов.

Табл. 1 – Классы основных ГТС морских портов

Основные повреждения причальных сооружений

Разрушение конструкции причала начинается с момента сдачи сооружения в эксплуатацию. Медленный процесс разрушения конструкцион­ных материалов происходит под воздействием окружающей среды (рис. 2).

Рис. 2 – Примеры разрушения конструкций причалов

Наиболее важные виды разрушения конструкционных материалов следующие.

Механическое разрушение, т.е. конечная стадия, завершающая процесс упругой или пластической деформации твердого тела. Такое разрушение выводит конструкцию из рабочего состояния. Например, механические повреждения железобетонных конструкций возникают в результате неправильной швартовки судов к причалам (рис. 3, а).

Эрозия материала, т. е. постепенное разрушение материала путем механического износа, например истирание ото льда. Слово «эрозия» происходит от латинского erodere – разрушать (рис. 3, б).

Коррозия материала, т. е. постепенное физико-химическое разру­шение под воздействием (чаще всего жидкой или газообразной) окружающей среды. Слово «коррозия» происходит от латинского corrodere – разъедать. Не всегда можно четко разделить явления эрозии и коррозии. Очень часто оба вида разрушения протекают совместно, это так называемая коррозионная эрозия. По характеру различают сплошную равномерную и неравномерную коррозию; местную коррозию, в том числе коррозионные пятна, язвы и точки (питтинг); межкристаллитную коррозию, которая поражает границы зерен металла; транскристаллитную коррозию, которая рассекает металл непосредственно через зерна. Последние два вида коррозии особенно опасны, так как могут привести к полной потере прочности сооружения.

В отличие от механического разрушения, явления эрозии и коррозии связаны с распылением и окислением разрушаемого металла и чаще всего с его невозвратимой потерей. Любой конструкционный материал может подвергаться коррозионному или эрозионному разрушению (рис. 4).

Рис. 3 – Виды разрушений элементов конструкции причальных сооружений: а) механическое разрушение; б) эрозия; в) коррозия,

Рис. 4 – Эрозия и коррозия элементов конструкции причального сооружения

Кроме указанных видов разрушения материалов, возможны также и другие. Для материалов органического происхождения (дерево) часто основным видом является биологическое разрушение, происходящее вследствие жизнедеятельности бактерий, грибков или насекомых. Для материалов типа пластмасс, лакокрасочных материалов, резины опасными видами разрушения являются процессы старения, т. е. постепенного необратимого изменения внутренней структуры и свойств материала, которое часто происходит в нежелательном направлении.

Методика определения расчетной надежности действующих причалов

На данный момент определенное число причалов выработало свой 50-летний ресурс. Некоторые из них находятся в работоспособном со­стоянии, но нуждаются в модернизации. Большинство требуют серьезного ремонта. Рассмотрим способы определения расчетной надежности конструкций причалов согласно действующим нормативам.

Определение расчетной надежности существующих причальных сооружений и их оснований устанавливается с использованием матема­тического аппарата теории вероятности и математической статистики согласно РД 31.31.35-85. Метод расчета причальных сооружений на надежность ставит целью не допустить с достаточно высокой вероятностью возникновения предельных состояний в сооружении, его элементах и основании в период строительства и эксплуатации. При этом для любого момента времени t условие безотказной работы j-oгo элемента сооружения, основания по i-ому виду предельного состояния должно соблюдаться с вероятностью H_ij не ниже нормативной Н_n.

где Y_ij – резерв контролируемого параметра напряженного или деформи­рованного состояния j-гo элемента сооружения, случайная величина; R_ij – предельная величина контролируемого параметра напряженного или деформированного состояния j-гo элемента сооружения, случайная величина; S_ij – фактическая величина (прогнозируемая по результатам расчета), контролируемого параметра напряженного или деформированного состояния j-oгo элемента сооружения; Н_n – нормативная вероятность безотказной работы, нормативная надежность.

Нормативная надежность конструктивных элементов и узлов долж­на быть тем выше, чем выше степень их ответственности и степень опасности отказа. Она устанавливается на основе опыта проектирования причальных сооружений с использованием методов теории надежности и экономических критериев.

Данная методика используется для сопоставления различных ва­риантов проекта причальных сооружений, диагностики существующих причалов с выявлением резервов их несущей способности, а также для обоснования возможности их дальнейшей эксплуатации, т.е. не является обязательной при проектировании сооружения.

Таким образом, проблема увеличения долговечности состоит в уменьшении износа строительной конструкции, который выражается в постоянном снижении ее прочности, что вызывает увеличение интенсив­ности отказов. Причинами износа могут быть коррозия (в металлических конструкциях), гниение (в деревянных конструкциях), старение (в конструкциях из пластмасс) и тд. В общем случае износ – это изменение прочности конструкции или ее элементов во времени. Поскольку сама прочность является случайной величиной, то при наличии износа ее следует считать случайной функцией времени r(t), зависящей от комплекса факторов.

Методика осуществления контрольно-инспектор­ского надзора за причальными сооружениями

Учитывая современное законодательство, все причальные сооружения должны проходить плановый контроль технического состояния причала согласно Руководству по техническому контролю гидротехнических сооружений морского транспорта РД 31-3.3-97.

В соответствии с РД 31.3-3-97 объектами технического контроля являются сооружения, процессы их проектирования, строительства, приемки и ввода в эксплуатацию, режимы эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, а также соответствующая техническая документация.

Контроль при проектировании, строительстве и приемке сооруже­ний в эксплуатацию осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 3-07.02-87.

Для осуществления контроля технического состояния сооружений используются методики, основанные на использовании стандартизован­ных средств диагностирования и неразрушающего контроля, освоенных и выпускаемых промышленностью.

Использование нестандартизованных средств контроля следует осу­ществлять в порядке, установленном РД 31.3-4-97.

При комплексном обследовании сооружений в общем случае преду­сматривается выполнение следующих контрольных операций:

– проверка технической документации;

– инструментальный контроль (осмотр и замеры);

– испытания сооружений или отдельных конструкций и элементов.

Каждая из этих операций регламентируется соответствующей мето­дикой. При этом методики визуального контроля носят рекомендательный характер и могут изменяться, уточняться и конкретизироваться исполнителями. Методики измерительного контроля и испытаний являются обязательными. Они также могут совершенствоваться с учетом требований, предусматривающих аттестацию указанных средств измерений и методик органами ведомственной метрологической службы.

При обследовании технического состояния сооружений используе­мые методики контроля объединяют в следующие основные Группы:

а)   осмотр сооружения с целью проверки наличия его элементов, их соединений и выявления явных внешних признаков их ненормального функционирования;

б)   осмотр сооружения для выявления скрытых дефектов. Требует предварительной подготовки (расчистки, раскопки и т.д.) контролируе­мых элементов;

в)   определение пространственного положения элементов сооружения (координат отдельных точек, размеров, наклонов, смещений, деформаций и др.) методами геодезических и специальных измерений;

г)   измерение характеристик физико-механического состояния материалов с помощью методов неразрушающего контроля;

д)   получение изображений элементов сооружения;

е)   испытания сооружений и их элементов.

Для планирования описания повреждений необходимо их класси­фицировать. В основу классификации положено влияние степени повреждений на изменение несущей способности и эксплуатационных свойств сооружения. В соответствии с этим возможные повреждения основных конструктивных элементов подразделены на четыре типа:

– первый тип соответствует самой начальной стадии износа конструкции;

– повреждения второго типа незначительно влияют на несущую способность конструкции, но существенно снижают долговеч­ность и надежность;

– повреждения третьего типа ведут к существенному уменьшению несущей способности конструктивного элемента и ухудшают условия эксплуатации;

– при повреждениях четвертого типа изменения носят качест­венный характер. Конструкция становится неработоспособной и находится в предельном состоянии.

При повреждениях первого и второго типов ремонт следует произ­водить для обеспечения долговечности и надежности конструкции. При повреждениях третьего и четвертого типов требуется срочный ремонт для восстановления несущей способности сооружения и безаварийной эксплуатации в соответствии с действующими нормативами. 

Способы проведения ремонта и реконструкции причальных сооружений

Способы проведения ремонта и реконструкции причальных соору­жений, согласно указаниям по ремонту гидротехнических сооружений на морском транспорте РД 31 -35.13-90, различны. Прежде всего, они зависят от степени повреждения конструкции. Для наглядности рассмотрим предложение по ремонту на примере реального причала речного вокзала, построенного в 1968 г. Конструкция причала выполнена из железобетонных элементов уголкового типа. Вертикальные элементы уголков имеют разрушение защитного слоя по всей высоте, данные разрушения вызваны ледоходом. Также имеются крупные сколы бетона, вызванные неправильной швартовкой судов и отсутствием отбойных устройств (рис. 5).

Рис. 5 – Пример конструкции причала уголкового типа: а) - разрез по конструкции; б) - фрагмент фасада; в) - фотография вертикального элемента уголковой стенки

Перед началом ремонта было проведено комплексное обследование сооружения, по результатам которого составлен отчет технического со­стояния конструкции с предложениями по ремонту либо полной реконструкции данного сооружения.

В предложении по ремонту очередность работ при заполнении сколов и восстановлении защитного слоя в железобетонных конструкциях вертикальных элементов уголковых стенок причала должна быть следующая:

– расчистка поврежденных мест;

– оголение арматуры;

– удаление ржавчины с арматуры (пескоструйная, водоструйная обработка, продувка сжатым воздухом);

– подготовка бетонной поверхности (обработка поврежденных мест, придание шероховатости, очистка, продувка);

– антикоррозионная защита арматуры;

– вяжущий слой (вяжущие материалы с содержанием цемента или эпоксидные смолы);

– нанесение минеральных ремонтных растворов;

– нанесение ремонтных смол.

В предложении по реконструкции данного причала представлена возможность применения следующих решений (рис. 6):

а)   Забивка перед существующей конструкцией шпунтовой стенки сложного профиля, представляющей собой ряд труб (4), соединенных между собой в промежутках шпунтинами (1), при этом шпунт погружается до отметки «подушки» сооружения. Стенка соединяется с существующей конструкцией ростверком (6);

б)   Забивка перед существующей конструкцией труб (4) и шпунта (1), анкерами для которого будут синтетические сетки (8). Верх новой конструкции объединяется ж/б ростверком (6);

в)   Забивка перед существующей конструкцией шпунтовой стенки (1), при этом шпунт погружается до отметки «подушки » сооружения;

г)   Забивка перед существующей конструкцией труб (4) и шпунта, анкерами для которого будут стальные тяги (10). Верх новой конструкции объединяется ж/б ростверком (6). Стальные тяги закрепляются за ж/б анкерные стенки (5);

д)   Забивка перед существующей конструкцией труб (4) и шпунта (1), анкерами для которого будут синтетические сетки (8). Верх новой конструкции объединяется ж/б ростверком (6). Шпунт устанавливают в протяженный бетонный стакан, который заранее погружают на дно в траншею. После установки шпунта стакан заполняют бетоном;

е)   Возведение перед существующей конструкцией сооружения из трех рядов труб (4), объединенных между собой ж/б ростверком (6);

ж)  Достройка конструкции помоста на определенном расстоянии от существующей причальной линии, опирающейся на массивные колонны (2).

Рис. 6 – Предлагаемые решения по реконструкции причала уголкового типа: 1- виниловый шпунт; 2- массивная опора; 3- стальной шпунт; 4- стальные трубы; 5- анкерная ж/б стенка; 6- ж/б ростверк; 7- переходной мостик; 8- синтетические сетки (анкера); 9- резиновые отбойные устройства; 10 – стальная анкерная тяга

На основании предложений по реконструкции и ремонту проводится экономический анализ, из предлагаемых мероприятий выбирается наиболее подходящий вариант.

Использование новейших материалов в модернизации старых конструкций

При эксплуатации причальных сооружений чаще всего приходится сталкиваться с коррозионными разрушениями металла и эрозионными разрушениями бетона. Данные материалы являются основными в гидротехническом строительстве XX века.

Появление винилового шпунта на рынке строительных материалов является логичным эволюционным ответом на вопросы коррозии и эро­зии. Использование данного материала возможно как в ремонте сооружений, отработавших свой срок эксплуатации, так и в создании новых.

Далее представлен вариант реконструкции сооружения, отработав­шего срок эксплуатации, с использованием винилового шпунта.

Конструкция представляет собой сооружение эстакадного типа, сваями конструкции являются короба из шпунта «Ларсен-5». На сваях расположены двойные двутавры в роли продольных несущих балок. Поперечными балками являются также двутавры, опирающиеся на продольные балки. Железобетонные плиты покрытия размером 2,0x2,0 м лежат на поперечных балках. Перед эстакадой располагается ряд коробов из шпунта «Ларсен-5», защищающий сооружения от навала судна. На ряду закреплена отбойная рама, также выполненная из шпунта «Ларсен-5» (рис. 7). На момент обследования причала несущие элементы конструкции имели значительную коррозию (рис. 8).

Рис. 7 – Аксонометрия несущих элементов причета

Рис. 8 – Состояние несущих элементов конструкции: а) под покрытием причета в перспективе; б) шпунт вблизи

Однако расчеты показали, что остаточное сечение шпунта (с учетом коррозии) может выдерживать проектную нагрузку. Из этого можно сде­лать вывод: увеличив срок службы шпунта и защитив его от дальнейшей коррозии, мы обеспечим работоспособность причала на долгое время. Для достижения этой цели можно применить виниловый шпунт (рис. 9). 

Рис. 9 – Применение винилового шпунта в качестве опалубки.

Особенность данного варианта реконструкции заключается в том, что в качестве несъемной опалубки при бетонировании применяется виниловый шпунт для защиты основного шпунта от коррозии. Виниловый шпунт необходимо взять большего сечения, чем стальной, и погрузить таким образом, как показано на рисунке, предварительно разобрав верхнее строение, которое в данном случае подлежит замене на новые несущие элементы. Виниловый шпунт вместе с бетоном создает крепкую оболочку, которая будет на протяжении дальнейшего срока службы конструкции защищать стальные сваи от агрессивного воздействия окружающей среды.

Также примерами ремонта сооружений, отработавших свой срок эксплуатации, с применением новейших материалов могут служить варианты реконструкции, представленные на рисунках 6: а, б, в, д. В вариантах б и д интересным является применение синтетических сеток для анкеровки шпунта, а также уменьшения активного давления грунта засыпки на шпунтовую стену.

В новом строительстве также имеется множество примеров, в которых было бы целесообразно применение винилового, или, как его еще называют, пластикового шпунта.

В последнее время появилось целое направление новых материалов, облегчающих выполнение защиты и ремонта как металлических, так и железобетонных конструкций. Фирмы, производящие данные материалы, гарантируют (при строгом соблюдении ими разработанных правил применения) получение долговечных покрытий, прочных бетонов и надежных соединений между старыми и новыми элементами. Также разработаны соответствующие инструкции для получения ожидаемого результата, определена очередность выполнения работ. В связи с постоянным обновлением предлагаемых материалов, до начала проектирования и выполнения работ по реконструкции и ремонту рекомендуется подробно ознакомиться с предлагаемыми материалами и способами их подготовки и использования, а также результатами их применения.