Раздел 1 Конструктивные решения

1.1 Оценка горно-геологических условий. Определение нагрузок, действующих на обделку

Проектом рассматривается строительство двухпутного железнодорожного горного тоннеля. Железнодорожная линия 1категории. Породы в зоне строительства представлены: на начальном участке тоннеля – габбро-диоритами; на основной протяжённости тоннеля – плотными гранитами; на конечном участке – сланцевыми кварцитами. Основные физико-механические свойства пород представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Основные физико-механические свойства пород

Наименование пород	f	, кН/м3	φ, град	Вt , м	Пt , %	hw , м
Габбро-диориты (А)	6,4	25,9	81,12	0,3	0,25	17
Плотные граниты (В)	9,8	26,5	84,17	0,4	0,4	18
Кварциты сланцевые (С)	14,2	26,4	85,97	0,2	0,3	19

В таблице используются следующие обозначения:

Слой А – породы, залегающие в точке входа в тоннель;

Слой В – породы, залегающие на основной протяжённости тоннеля;

Слой С – породы, залегающие в точке выхода из тоннеля;

f – коэффициент крепости породы по шкале профессора Протодьяконова;

 - нормативный удельный вес породы;

φ – кажущийся угол внутреннего трения породы;

В_t – расстояние между трещинами;

П_t – трещинная пустотность;

h_w – уровень грунтовых вод выше уровня головки рельсов.

В соответствии со СНиП на обделку тоннеля действуют постоянные и временные нагрузки. К постоянным нагрузкам относятся давление грунта, гидростатическое давление, собственный вес конструкций, вес зданий и сооружений, находящихся в зонах их действия на обделку тоннеля (отсутствуют), сохраняющиеся усилия от предварительного напряжения конструкций и давление щитовых домкратов.

Временные нагрузки подразделяются на длительные, кратковременные и особые. К длительным относятся силы морозного пучения грунта, вес стационарного оборудования, сезонные температурные воздействия, воздействия усадки и ползучести бетона и другие.

К кратковременным нагрузкам относятся нагрузки и воздействия от внутритоннельного и наземного транспорта, нагрузки и воздействия, возникающие в процессе сооружения тоннеля.

К особым нагрузкам и воздействиям относятся воздействия от деформации грунтового массива, воздействия высокой температуры при пожаре и другие нагрузки и воздействия, обусловленные аварийными и чрезвычайными ситуациями.

Нагрузки от горного давления определяются с учётом возможности образования над тоннелем свода обрушения. Схема для расчёта высоты свода обрушения представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема для расчёта высоты свода обрушения

Нормативные равномерно-распределённые нагрузки определяются по формулам

1. Вертикальная

_(1.1)

где h₁ – высота свода обрушения;

 - удельный нормативный вес породы.

2. Горизонтальная

_(1.2)

где  - удельный нормативный вес породы;

h₁ – высота свода обрушения;

h – высота тоннеля;

φ_к – кажущийся угол внутреннего трения породы.

Высоту свода обрушения определяем по формуле

_(1.3)

где L – величина пролёта свода обрушения;

f – коэффициент крепости породы.

_(1.4)

где В – ширина тоннеля;

h – высота тоннеля;

φ_к – кажущийся угол внутреннего трения породы.

Предварительно принимаем размеры поперечного сечения: высоту – 6 м, ширину – 12 м. Высоту от почвы тоннеля до уровня головки рельса – 2 м.

Определим вертикальные и горизонтальные нагрузки для трёх участков

Участок А:

Участок В:

Участок С:

_{Величина гидростатического давления может быть вычислена по формуле}

_(1.5)

_{где hв – высота столба воды над рассматриваемой точкой;}

_{в – нормативный удельный вес воды (в = 10 кН/м}³_).

_{Рисунок 1.2 – Схема определения гидростатического давления}

В дальнейших расчётах используем расчётные величины нагрузок, получаемые умножением нормативных нагрузок на соответствующий коэффициент надёжности. В соответствии со СНиП коэффициенты надёжности на постоянные нагрузки составляют: вертикальных от горного давления при сводообразовании для скальных грунтов К=1,6; горизонтальных от давления грунта К=1,2; гидростатического давления К=1,1.

Таким образом, расчётные нагрузки составляют

Участок А:

Участок В:

Участок С:

2. _{Проектирование плана и продольного профиля тоннеля}

_{Задачей проектирования плана и продольного профиля является соединение заданных точек пути сообщения (А и В), расположенных по обе стороны от горной возвышенности (водораздела) линией наименьшей длины с уклонами, не превышающими допустимых и при наименьшей длине тоннеля.}

_{Наименьшая длина проектируемого участка трассы может быть получена при использовании предельно допустимых уклонов продольного профиля. Трассирование начинается из пункта, имеющего пониженную отметку. Сначала по склону с подъёмом на высоту перевала напряжённым ходом. Величина раствора циркуля для напряжённого хода определяется по формуле}

_(1.6)

_{где h – интервал сечения горизонталями (20 м);}

_{ip – величина руководящего уклона (для 1 категории - не более 18} ⁰_{/00 , для 2 - не более 20} ⁰_/00);

_{iэкв – смягчение руководящего уклона, учитывающее дополнительное сопротивление движению поезда на кривых (для горной местности 0,5} ⁰_{/00 – 1,0} ⁰_/00);

_{М – масштаб плана местности (1:50000).}

_{В зависимости от протяжённости перевала и характера рельефа местности тоннель может быть двускатным или односкатным. В случае односкатного тоннеля необходимо расположить точку Д (точку выхода из тоннеля) выше точки С (точки входа в тоннель). Ориентировочно продольный уклон в тоннеле может быть определён по формуле}

_(1.7)

_{где m – коэффициент смягчения уклона в тоннеле и на подходах в связи с уменьшением коэффициента сцепления в тоннеле, а соответственно и силы тяги локомотива. Принимается при длине тоннеля: не более 300 м – 1,0; 300 м –1 км – 0,9; 1 км – 3 км – 0,85; более 3 км – 0,8 – 0,75.}

_{ip – величина руководящего уклона (ip =15} ⁰_/00);

_{iэкв - смягчение руководящего уклона, учитывающее дополнительное сопротивление движению поезда на кривых (iэкв= 1,0} ⁰_{/00 ).}

_{С учётом величины предварительного уклона и ориентировочной длины тоннеля определяем высотную отметку точки Д2}

_(1.8)

_{где Hс – высотная отметка точки С;}

_{Lт – ориентировочная длина тоннеля;}

_{iт – ориентировочный продольный уклон в тоннеле.}

_{Полученная линия АСДВ является предварительной линией трассы. Все угловые участки необходимо заменить кривыми стандартных радиусов. Радиусы принимаются равными 4000, 3000, 2500, 2000, 1800, 1500, 1200, 1000, 800, 700, 600, 500, 400, 350, 250 м.}

_{Основные параметры кривой представлены на рисунке 1.3.}

_{R – радиус кривой;}

_{ - угол;}

_{Т – тангенс;}

_{Б – биссектриса;}

_{К – длина кривой.}

_(1.9)

_(1.10)

_(1.11)

_{Первая кривая имеет радиус R1 = 1500 м и угол поворота φ1=71}⁰_{. Вторая кривая имеет радиус R2 = 1500 м и угол поворота φ2=84,5}⁰_.

_{Произведём расчёт кривых}

_{Первая кривая:}

_{Вторая кривая:}

_{На кривой у входа в тоннель необходимо произвести смягчение уклона. Величина смягчения определяется по формуле}

_(1.12)

_{где iэкв – смягчение уклона на кривых. Определяется в зависимости от длины подвижного состава lп. Принимаем lп = 850 м. Тогда}

_(1.13)

_{где R – радиус кривой.}

_{Положение портала со стороны напряжённого входа определяется с помощью шаблона, представляющего собой рисунок, который вычерчивается в масштабе продольного профиля (высота портала принимается равной 20 м).}

_{Продольный профиль тоннеля представлен на рисунке 1.4, план трассы – в приложении 1 на странице 59.}

2. _{Определение размеров поперечного сечения тоннеля. Выбор конструкции обделки}

_{Основой для построения внутреннего очертания тоннельной обделки является габарит приближения строений. Для железнодорожных горных тоннелей используется габарит С по ГОСТ 9238 – 83, принятый как основной на сети дорог колеи 1520 мм. Размеры габарита С установлены с учётом размещения внутреннего габарита подвижного состава и конструкционной подвески контактного провода с несущим тросом (смотри рисунок 1.5), (в скобках указаны соответствующие размеры для конструкционной подвески без несущего троса).}

_{Рисунок 1.5 – Габарит}

_{На кривых участках пути габарит приближения строений однопутных тоннелей должен быть увеличен с учётом выноса концов и середины стандартного вагона с базой 17 м и длиной кузова 24 м от оси пути и его наклона, обусловленными возвышением h наружного рельса.}

_{Величина h зависит от скорости движения, допускаемой на кривой данного радиуса. Для радиусов 1000 м и дорог 1 категории примем Vmax=115 км/ч и h = 60 мм. 2 категории – Vmax=110 км/ч и h = 40 мм. Для радиусов 1500 м и дорог 1 категории примем Vmax=130 км/ч и h = 30 мм. 2 категории – Vmax=120 км/ч и h = 10 мм.}

_{Угловые точки 1 – 6 габарита на кривых смещаются наружу от оси пути в положение 1}^/ _{– 6}^/_{. Кроме того на контуре увеличенного габарита возникает дополнительная точка 4}^//_{. Соответствующие смещения точек Di представлены в таблице 1.2.}

_{Таблица 1.2 – Смещение точек габарита С на кривых}

R,м	D1	D2	D3	D4	D5	D6
200 - 1500	60	470	810	170	60	60

_{Для двухпутных тоннелей на кривой габарит приближения строений получается измерением габаритов однопутного тоннеля и увеличением междупутья (величина DМ). Уширение междупутий принимается равным при R = 1000 м – 0,17 м, при R = 100 м – 80 мм, при R = 2000 м – 20 мм.}

_{На основании полученных габаритов подвижного состава строится внутреннее очертание тоннельной обделки подковообразного, круглого или другого поперечного сечения. Зазоры между габаритами и внутренним очертанием обделки принимается в пределах 10 – 35 см в зависимости от рассматриваемой точки в сечении тоннеля. Эти зазоры необходимы для последующей вентиляции тоннеля, а также компенсации возможных отклонений обделки от проектного положения.}

_{Конструкция поперечного сечения тоннельной обделки выбирается с учётом степени устойчивости грунтов, величины и характера проявления горного давления, обводнённости горного массива и способа производства работ.}

_{В монолитных невыветривающихся неразмываемых породах выработка иранспортного тоннеля может быть оставлена без обделки , либо кровля тоннеля упрочняется долговечными железобетонными анкерами (крепость горных пород больше 10 – 12 при отсутствии трещиноватости).}

_{В крепких, но выветриваемых скальных грунтах горное давление отсутствует, поэтому обделка выполняет роль облицовки и, как правило, устраивается из набрызг-бетона толщиной в кровле 10 – 15 см, в боках 5 – 7 см.}

_{В монолитных скальных грунтах (крепость более 8) может отсутствовать боковое горное давление. В этом случае тоннельная обделка выполняется в виде монолитного бетонного свода, опирающегося на уступы стен (20 – 30 см в каждую сторону).}

_{В слаботрещиноватых и трещиноватых скальных грунтах средней и слабой крепости, которые оказывают горное давление на обделку, предусматривают несущие конструкции обделки.}