Отвод большого количества воды, которая стекает в железнодорожные туннели Пахарес в Кантабрийских горах Испании, потребовал применения отмеченных наградой инновационных композиционных материалов.
Если говорить о проникновении воды в транспортные туннели, т.е. водопритоке, с этой проблемой столкнулись в туннелях Пахарес в Испании. Входящий в состав будущей высокоскоростной железной дороги, которая будет соединять расположенный в центральной части Мадрид и Астурийской княжество, расположенное на северном побережье, известном своим скалистым берегом и горами, двойной туннель протяженностью 24,6 км будет обеспечивать высокоскоростное железнодорожное сообщение через Кантабрийские горы.
До сих пор единственный железнодорожный проезд через этот горный хребет был извилистый, иногда крутой маршрут, используемый в основном для перевозки грузов, который ограничивал скорость поезда до 70 км/ч. Новый маршрут позволит осуществлять пассажирские перевозки с максимальной скоростью 300 км/ч.
Двойные туннели относятся к числу самых длинных в мире, однако они считаются и самыми сложными для проектирования. В чем причина? Кантабрийский регион известен своей пышной растительностью в условиях очень влажного климата. Расположенный на Бискайском заливе с влажными атлантическими ветрами, удерживаемыми горным хребтом, этот регион может насчитывать до 1200 мм годовых осадков!
Первоначальное строительство туннеля было завершено в 2009 году, но беспрецедентное просачивание воды поставило под угрозу строительство железной дороги.
Вода просачивалась из близлежащего грунта со скоростью на порядок больше, чем в большинстве других туннелей, до 2200 л/с; этой скорости достаточно, чтобы наполнить бассейн олимпийского размера за 20 минут. Виновниками были трещины в бетонных стенах туннеля. Традиционные методы гидроизоляции (введение полимерной пасты в трещины, установка полимерной мембраны) и прочие попытки герметизировать стены туннеля или усовершенствовать конструкцию туннеля с помощью известных мер оказались неэффективными.
Требовалось новое решение, для поиска которого была привлечена мадридская компания ACCIONA Infraestructuras S.A., отдел технологий и инноваций. “Мы поняли, что не можем остановить приток воды, поэтому искали способ ее отвода”, — вспоминает прошлый руководитель производства композиционных материалов компании ACCIONA Анураг Бансал, который сейчас занимает должность руководителя подразделения международного развития бизнеса.
Инновационное решение ACCIONA заключалось в использовании запатентованной на данный момент системы футеровки композитами и укрепления, в 2017 году удостоенной награды за инновации JEC в категории Строительство.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Одним из ключевых аспектов, обусловивших выбор композиционных материалов из множества других вариантов, была необходимость сохранить достаточный диаметр туннеля. Исходная выемка туннеля могла быть больше, что потенциально позволило бы использовать систему отвода воды не из композиционных материалов, но Бансал подчеркивает: “Разработка каждого дополнительного миллиметра грунта обходилась дорого”. Разумеется, дополнительные земляные работы на этом этапе проекта были невыполнимы, поскольку строительство стен туннеля было почти завершено.
Поэтому толщина системы отвода воды не должна была уменьшать диаметр туннеля, что исключило традиционные варианты. Чтобы удовлетворять конструктивным требованиям, цементные панели, например, должны были бы иметь толщину 10 см, что недопустимо уменьшило бы размер туннеля.
Толщина конструкции из слоистых композиционных материалов составляет всего 4 мм; а профиль панели, который служит каналом для воды в виде цельно изготовленных продольных ребер/желобов, уменьшает диаметр туннеля на приемлемую величину.
Еще один важный фактор состоял в том, что панели системы водоотведения должны были обеспечивать достаточную радиальную прочность после прикрепления к изогнутым стенам туннеля.
Высокоскоростные поезда при въезде в туннель создают значительное давление воздуха. Но что еще более важно, “при выезде из туннеля они создают вакуум, который совместно с другими силами будет пытаться вытащить панели из креплений”, — объясняет Бансал.
Специальная система анкерных креплений, разработанная компанией CELO-APOLO Construction Systems (Кастельяр-дель-Вальес, Испания), помогает удерживать панели на месте, в то же время сами панели рассчитаны на любые нагрузки, создаваемые как скоростными поездами, так и продолжительным потоком воды.
Команда Бансала также должна была удовлетворить, казалось бы, противоречивые требования по производству и установке панелей. С одной стороны, изготавливать плоские панели гораздо проще, быстрее и выгоднее, чем изогнутые. С другой стороны, панели должны соответствовать изогнутой конструкции туннеля и эффективно защищать ее. Решение этих задач состояло в изготовлении плоских панелей с применением качественного армирования в продольном направлении, в результате чего панели могли изгибаться и принимать в требуемую форму при установке. По словам Бансала, благодаря гибкости панелей их профиль соответствовал конструкционным требованиям и не нарушал целостность слоистой структуры. Кроме того, гибкость позволила относительно легко адаптировать панели к нестандартным элементам туннеля.
Чтобы получить совокупность необходимых физических и механических свойств панелей, команда ACCIONA использовала три типа армирования стекловолокном: однонаправленное и двунаправленные непрерывные пучки стекловолокна, а также непрерывный стекломат. Однонаправленный материал был разработан, изготовлени и поставлен компанией Owens Corning (Толидо, штат Огайо, США).
При разработке состава подходящей системы смол компания ACCIONA также сотрудничала с производителем смол Scott Bader Co. Ltd. (Нортгемптоншир, Великобритания). Это было особенно трудно, поскольку смола должна была соответствовать строгим стандартам воспламеняемости для подземного применения, а также удовлетворять характеристикам предварительного отверждения жидкости, необходимым для производства.
КРУПНОМАСШТАБНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Имея более чем 20-летний опыт изготовления компонентов из композиционных материалов, в этом проекте Басал столкнулся с проблемами нового производства: начиная с его масштабности и заканчивая плотным графиком производства. Чтобы покрыть более 200 000 м2 стен туннеля (протяженность около 10 км) компания ACCIONA производила более 15 000 панелей размером 9,2 х 1,5 м.
“Мы сразу остановились на пултрузии, поскольку нам нужен был автоматизированный процесс”, — объясняет Басал.
Довольно низкие потребности в рабочей силе и высокая стабильность производства также сделали пултрузию предпочтительным методом изготовления. Компания ACCIONA использовала пултрузионную установку фирмы LYT Composite Equipment Manufacturer (Нанкин, Китай).
Но использование специально разработанной системы смол было сопряжено со сложностями в технологическом процессе пултрузии. Компания ACCIONA начала со смолы Scott Bader Crestapol 1212, быстроотверждаемой термореактивной смолы на основе метилакрилата. Добавки, необходимые для удовлетворения эксплуатационных требований, в частности, большое количество наполнителя (170 м.ч. на 100 м.ч. смолы) тригидрата алюминия в соответствии со стандартами воспламеняемости, существенно изменили состав смолы настолько, что потребовалось изменение процесса обработки. Стандартная пултрузионная ванна оказалась непригодной, поскольку некоторые компоненты смеси ACCIONA оседали на дне ванны.
Инжекция смолы также была проблематичной из-за высокой вязкости наполненной смолы.
Команда Бансала в сотрудничестве с несколькими промышленными партнерами работала над модификацией состава смол, системы инжекции смол и точек инжекции, чтобы обеспечить надлежащую подачу и пропитку стекловолокна с наполненной смолой Crestapol 1212. Добавки, поставляемые компанией BYK-Chemie GmbH (Везель, Германия), помогли обеспечить равномерное смачивание и диспергирование неорганических наполнителей в смоляной смеси.
Компания LUM Industry (Буассёй, Франция) разработала и изготовила пултрузионную форму. Итоговая продолжительность цикла модифицированного пултрузионного процесса составляла 34 минуты на одну панель.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Система футеровки из композиционных материалов покрывает 18-метровую дугу туннелей парными панелями. Панели длиной 9,2 м на вершине туннеля установлены внахлест на 20 см; этого достаточно, чтобы вода не просачивалась через шов — “путь наименьшего сопротивления” отвода от швов образуется благодаря силе тяжести и каналам, созданным в панелях.
Аналогичным образом, вода не просачивается через длинные швы по краям. Бансал объясняет: “Боковое перекрытие по краям создает своего рода блокировку, а механические силы [от сгибания и крепления панелей] предотвращают перемещение панелей в процессе монтажа и эксплуатации, тем самым сохраняя блокировку”. Вода стекает вниз по каналам, сливается в бетонные каналы по бокам основания туннеля и вытекает из туннеля.
Стандартное транспортное оборудование может вмещать продукцию до 10 м в длину и 1,5 м в ширину, поэтому технология парных панелей позволила компании ACCIONA использовать экономически эффективные средства транспортировки на объект. Стандартные средства грузоперевозки также имеют ограничения по распределению массы примерно 8 кг/м2, с которыми легкие панели из композиционных материалов легко справляются. К тому же, композитные панели можно устанавливать непосредственно на месте, используя стандартное монтажное оборудование. Все эти факторы помогли ускорить установку. Важно отметить, что панели располагаются таким образом, что не препятствуют осмотру или проверке кольцевых сегментов конструкции туннеля.
По словам Бансала, другие характеристики композиционных материалов повысили рентабельность проекта и уменьшили его воздействие на окружающую среду по сравнению с другими материалами. “Стальные панели пришлось бы оцинковывать”, — отмечает он. “Иначе вода загрязнялась бы из-за коррозии и ржавчины. Кроме того, стальная конструкция потребовала бы заземления». Композитные панели, напротив, неприхотливы в обслуживании и обладают высокой коррозионной стойкостью. При производстве и установке композитных панелей выбросы CO2 были значительно ниже, чем могли бы быть при использовании других материалов.
Благодаря эффективной работе компании ACCIONA над проектом гидроизоляции двойных туннелей, один из них был открыт для ширококолейных поездов в 2016 году. Другой туннель был открыт позже в том же году. Можно надеяться, что завершение строительства высокоскоростной железной дороги и первая высокоскоростная поездка в Астурию состоятся в 2020 году.
ДОСТИГНУТЫЕ УСПЕХИ
Отвечая на вопрос об инновациях, разработанных для этого проекта, Басал упомянул применение (первая в своем роде система отделки туннеля), конструкцию панелей и материалы, а также изменения, своевременно внесенные в процесс пултрузии. Однако он считает, что самым инновационным аспектом этого проекта была «разработка решения практической проблемы».
Мы должны были найти команду для изготовления панелей, в очень ограниченный срок запустить производство и в течение двух лет выпускать надежные, качественный панели”. Он, очевидно, горд достигнутым результатом, что вполне заслуженно.
Креативное решение, достигнутое с помощью композитов. Этот композиционный материал, разработанный для отвода большого количества воды, стекающей по бетонным стенам, позволяет выводить воду из туннеля и от железной дороги, а также производит потрясающее визуальное впечатление в одном из туннелей Пахарес в северной части Испании. Источник: компания ACCIONA.
Скорость изготовления и воспроизводимость. Эта пултрузионная линия со специально разработанной системой подачи, которая обеспечивает полную пропитку волокна, выпускает каждую из более чем 15 000 композитных панелей размером 9,2 х 1,5 м за 34 минуты. Источник: компания ACCIONA.
Практичность и технологичность. Конструкция панелей позволяет использовать минимальное количество горизонтальных швов (один шов на вершине изгиба), наличие которых может вызывать трудности, изготавливать плоские панели и доставлять их стандартным грузовым транспотром. Источник: компания ACCIONA.
Формуемые панели соответствуют всем требованиям. Гибкость отвержденной системы материалов позволила компании ACCIONA установить плоские панели на изогнутые стены туннеля с сохранением конструкционной целостности. Источник: компания ACCIONA.
