Влияние параметров сечения чугунных тюбингов обделки тоннелей метро на их огнестойкость

Введение. В настоящее время чугун используют в области метростроения для производства специальных изделий — тюбингов отделки тоннелей метро. Возникает острая необходимость учета возможности возникновения пожара в тоннеле метро и воздействия его на тюбинги. В настоящее время отсутствуют способы прогнозирования поведения тюбингов в условиях пожара.

Цель исследования. Оценка влияния характера сечения чугунных тюбингов обделки тоннелей метро на их огнестойкость.

Задачи. Разработка методик и проведение экспериментальных и аналитических оценок огнестойкости чугунных тюбингов; определение корреляции огнестойкости от параметров сечения чугунных тюбингов обделки тоннелей метро.

Объекты исследования. В качестве объекта исследования рассматривались фрагменты тюбингов обделки тоннелей метро, выполненные из чугуна СЧ20.

Методология исследования. В ходе экспериментальной оценки производилась оценка деформации образцов при огневом воздействии. В ходе аналитической оценки — расчет прочности сечения тюбинга с оценкой выполнения условия прочности — определялась критическая температура, при которой сохраняется несущая способность, производилась оценка предельной нагрузки на тюбинг, при которой сохраняется прочность.

Результаты и обсуждение. Для проведения исследования были выбраны экспериментальный и аналитический методы по огнестойкости. В ходе экспериментальной оценки огнестойкости производилась оценка деформации образцов, что также служило показателем достижения предельного состояния образцов, оценка температуры на необогреваемой поверхности образца для дальнейшего использования в аналитической оценке огнестойкости. В ходе аналитической оценки огнестойкости производился расчет прочности сечения тюбинга с оценкой выполнения условия прочности, определялась критическая температура, при которой сохраняется несущая способность. На основании расчета производилась оценка предельной нагрузки на тюбинг, при которой сохраняется прочность. В результате проводимой экспериментальной и аналитической оценки огнестойкости были получены критические величины нагружения для выбранных образцов.

Заключение. Получены экспериментальные зависимости деформации и прогрева чугунных тюбингов обделки от времени огневого воздействия, а также время достижения предельных состояний по потере несущей способности. Определены величины предельных нагрузок на тюбинги, при которых спустя 90 мин от начала огневого воздействия наступает предельное состояние по потере несущей способности. Получена математическая зависимость величины предельной вертикальной нагрузки на образцы, при которой достигается предельное состо­яние по потере несущей способности, от приведенной толщины сечения тюбингов обделки тоннелей метро.

1. Wei Shi, Zenglin Hong, Min Yang, Ning Li, Tianxiang Tan. Impact of subway shield tunnel construction on deformation of existing utility tunnel // Frontiers in Earth Science. 2023. No. 11. Р. 1104865. DOI: 10.3389/feart.2023.1104865

2. Demenkov P., Shubin A.A. Improvement of design, geomechanical substantiation and development of construction technologies for the closed column station type of the deep-laid subway // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 3. Pp. 1754–176. EDN WWEMJZ.

3. Zhou Qihui, Zhang Qiongfang, Sun Miaomiao, Huang Xin, Huang Zhanggong, Wen Xuewei et al. Measuring Vibrations of Subway Tunnel Structures with Cracks // Buildings. 2024. Vol. 14. No. 9. P. 2660. DOI: 10.3390/buildings14092660

4. Bao Yan, Zheng Yexin, Tang Chao, Meng Xiaolin, Sun Zhe, Zhang Dongliang. Lateral convergence deformation prediction of subway shield tunnel based on Kalman model // Sustainability. 2024. No. 16. Р. 2798. DOI: 10.20944/preprints202401.0398.v1

5. Dong Sihui, Zhang Xinyu, Wang Kang. Study on fire ventilation control of subway tunnel: a case study for Dalian subway // Sustainability. 2022. Vol. 14. No. 14. DOI: 10.3390/su14148695

6. Конопляник А.Ю., Ильев И.М. Исследование характеристик жаростойких бетонов с добавками вспученного перлитового песка // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2019. № 1–2. С. 62–66. DOI: 10.33101/s001-150002091

7. Akhlaq Muhammad, Moiz Muhammad, Ahmed Shehryar. A review of concrete’s performance under the influence of fire and remedial solutions // 1st International Conference on Engineering and Applied Natural Sciences (ICEANS). Konya, Turkey, 2022.

8. Elsayd Alaa, Fathy Islam. Experimental Study of fire effects on compressive strength of normal-strength concrete supported with nanomaterials additives // IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN). 2019. Vol. 16. Issue 1. Pр. 28–37. DOI: 10.9790/1684-1601032837

9. Agrawal Dr. Exploration and comparison between regular concrete and concrete with mineral additives // Interantional journal of scientific research in engineering and management. 2024. No. 08. Рр. 1–5. DOI: 10.55041/IJSREM33980

10. Golovanov V., Pehotikov A., Gravit M., Novikov N., Pavlov V. Influence of microfiber on fire resistance of reinforced concrete tunnel tubings // Safety In Aviation And Space Technologies. Select Proceedings of the 9th World Congress “Aviation in the XXI Century”. “Lecture Notes in Mechanical Engineering” Cham, 2022. DOI: 10.1007/978-3-030-­85057-9_24. EDN GLQZNM.

11. Annerel E., Boch K., Lemaire T. Passive fire protection end life safety // Topic Safety of Tunnel and Undeground Structure. “SEE Tunnel: Promoting in SEE Region” ITA WTS 2015 Congress and 41st General Assambly. Dubrovnik, Croatia, 2015. Pp. 1–10.

12. Maraveas C., Vrakas A.A. Design of concrete tunnel linings for fire safety // Structural Engineering International. 2014. Vol. 24. Issue 3. Pp. 319–329. DOI: 10.2749/101686614X13830790993041

13. Cong Wei, Shi Long, Shi Zhicheng, Peng Min, Yang Hui, Zhang Shaogang et al. Effect of train fire location on maximum smoke temperature beneath the subway tunnel ceiling // Tunnelling and Underground Space Technology. 2020. No. 97. Р. 103282. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103282

14. Kordina K. Brände in unterirdischen Verkehrsanlagen // Bautechnik. 2003. Nr. 80. Heft 5. Pp. 327–338. DOI: 10.1002/bate.200302620

15. Ruiz López Agustin, Tsiampousi Aikaterini, Standing Jamie, Potts David. The influence of tunnel joints on the present-­day condition of a grey cast iron tunnel // Computers and Geotechnics. 2023. Р. 105701. DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105701

16. Kropivnyi V., Bosyi M., Kuzyk O., Kropivna A., Molokost L. On the question of structural formation of high-compression cast iron using state diagrams system “Fe-Si”, “Mg-Si” and “Fe-Si-Mg” // Central Ukrainian Scientific Bulletin. Technical Sciences. 2023. No. 2. Рр. 34–42. DOI: 0.32515/2664-262X.2023.7(38).2.34-42

17. Sosnovskiy L., Sherbakov S. New cast iron Monica loses its brittleness with increasing strength // International Journal of Materials and Structural Integrity. 2023. No. 15. Рр. 24–41. DOI: 10.1504/IJMSI.2023.135888

18. Sirenko K.A. Directions for the development of a methodology for regulating the chemical composition and properties of cast iron in foundry production based on a probabilistic approach // Metaloznavstvo ta obrobka metalìv. 2023. No. 29. Рр. 23–33. DOI: 10.15407/mom2023.04.023

19. Panichkin A., Kenzhegulov A., Mamaeva A., Uskenbayeva A., Kshibekova B., Imbarova A. et al. Effect of carbon and cooling rate on the structure of hypereutectic high chromium cast iron in the cast state and after heat treatment // J. Compos. Sci. 2023. Vol. 7. Issue. 12. P. 483. DOI: 10.3390/jcs7120483

20. Chen C., Wang J., Ge Y., Zhuang M., Ma Z. Microstructure and wear resistance of high-chromium cast iron with multicomponent carbide coating via laser cladding // Coatings. 2023. No. 13. Р. 1474. DOI: 10.3390/coatings13081474

21. Mingjian Peng, Hongbing Liu, Yang Xuan, Xu Liu, Lei Xu, Zhishui Yu. Evaluation of the microstructural and mechanical properties of ductile cast iron and alloy steel dissimilar materials welded by magnetically impelled arc butt // Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 15. Pр. 4623–4635. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.10.059

22. Fischer G., Nellesen J., Anar N.B., Ehrig K., Riesemeier H., Tillmann W. 3D analysis of micro-deformation in VHCF-loaded nodular cast iron by μCT // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 577 (4). Pр. 202–209. DOI: 10.1016/j.msea.2013.04.057

23. Liu H. Damage of cast-iron subway tunnels under internal explosions // Geotechnical Special Publication. 2011. Рр. 1524–1533. DOI: 10.1061/41165(397)156

24. Liu Huabei. Soil-structure interaction and failure of cast-iron subway tunnels subjected to medium internal blast loading // Journal of Performance of Constructed Facilities. 2012. No. 26. Рр. 691–701. DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000292

25. Dehn F., Werther N., Knitl J. Groβbrandversuche fur den city-tunnel Leipzig // Beton- und Stahlbetonbau. 2006. Nr. 101. Heft 8. Pp. 631–636. DOI: 10.1002/best200608186

26. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Павлов В.В., Новиков Н.С. Огневые испытания тюбингов тоннельной обделки // Пожарная безопасность. 2019. № 4 (97). С. 50–55. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.01.21-39.EDN FELKLH.

27. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Новиков Н.С., Павлов В.В., Кузнецова Е.В. Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 5. С. 60–70. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.05.60-70. EDN CDPGLL.

28. Голиков А.Д., Черкасов Е.Ю., Данилов А.И., Сиваков И.А. Предел огнестойкости конструкций чугунных тоннельных обделок метрополитена без огнезащитных покрытий // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. Т. 23. № 12. С. 20–27. EDN VUBAKH.

29. Gravit M., Antonov S., Nedryshkin O. Research features of tunnel linings with innovations fireproof panels // Procedia Engineering. 2016. No. 165. Рр. 1651–1657. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.906

30. Гаращенко А.Н., Антонов С.П., Марченкова С.В., Павлов В.В. Теплотехнический анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой чугунных тюбингов обделок тоннелей метрополитена, обеспечение их рациональной огнезащиты и заданной огнестойкости // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. № 31. С. 21–39. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.01.21-39. EDN VSXTGY.

31. Голиков А.Д., Черкасов Е.Ю., Данилов А.И., Сиваков И.А. Способ огнезащиты обделки транспортных тоннелей из чугунных тюбингов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. № 25 (12). С. 22–29. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.12.22-29