3.9. Конструкция высокоточной водонепроницаемой железобетонной обделки.

В последнее время при сооружении тоннелей механизированными щитовыми комплексами в обводнённых грунтах широкое применение получила так называемая высокоточная водонепроницаемая железобетонная обделка.

Водонепроницаемость такой обделки достигается за счёт применения бетона высокого класса по прочности на сжатие (В не менее 45), маркой по водонепроницаемости W не менее 10 и особой технологии изготовления. Созревание бетона блоков происходит в формах при t=+20 градусов без пропаривания в камерах.

Высокая точность элементов обделки достигается благодаря использованию жёстких форм специальной конструкции. Допуски в линейных размеров элементов не превышают 0,5 мм.

Водонепроницаемость продольных и поперечных стыков обеспечивается путём обжатия прокладок из неопреновой резины, устанавливаемых по всему периметру элемента в специальные канавки. Эти прокладки в виде замкнутых рамок натягиваются и укладываются в эти канавки на специальном клее. Обжатие резиновых уплотнений происходит за счёт усилий создаваемых щитовыми домкратами и вдавливания клинового блока в плоскость кольца обделки. Фиксация усилий уплотнения осуществляется при помощи винтовых скреплений и специальных шпилек.

На рисунке 3.32. показана конструкция водонепроницаемой железобетонной обделки, применённой при строительстве одного из перегонных тоннелей Московского метрополитена, расположенного в сложных инженерно-геологических и гидрологических условиях.

Рис. 3.32. Конструкция высокоточной водонепроницаемой железобетонной обделки:

а – конструкция кольца обделки; б –конструкция поперечного (кольцевого) стыка; 1 – резиновое уплотнение по периметру блока; 2 – металлическая шпилька; 3- пластмассовый дюбель; 4- отверстие для нагнетания; 5 – монтажные петли; 6 – зазор между кольцами.

Конструкция продольного (радиального) стыка показана на рисунке 3.33.

Рис.3.33. Конструкция продольного стыка водонепроницаемой железобетонной обделки.

Блоки обделки объединяются длинными металлическими шурупами, ввинчивающимися в пластмассовый дюбель соседнего элемента. В месте продольного стыка между элементами шуруп проходит по нейтральной оси, то есть он не воспринимает изгибающего момента, возникающего в стыке. Шурупы смежных блоков направлены навстречу друг другу так, как это показано на рисунке 3.34.

Рис. 3.34. Конструкция продольного стыка водонепроницаемой железобетонной обделки:

1 – резиновая рамка по периметру блока; 2 – металлический шуруп; 3 – закладной дюбель.

Обделки такой конструкции в последние годы активно применяются при сооружении транспортных тоннелей различного назначения в сложных инженерно-геологических и гидрологических условиях.

3.10. Конструкции обделок обжимаемых в грунт.

Появление сборных железобетонных обделок, обжимаемых в грунт, связано с попытками создания предварительного напряжения в круговых железобетонных обделках. Предварительное напряжение в таких обделках создавалось либо путём нагнетания цементных растворов в специально созданный кольцевой зазор между контуром выработки и наружным очертанием обделки, либо за счёт создания растягивающего усилия в металлических бандажах, расположенных на наружной поверхности обделки. В результате в сечении элементов обделки возникают преобладающие напряжения сжатия и происходит плотное закрытие продольных стыков. Такие обделки наиболее эффективно работают в напорных гидротехнических тоннелях, где основная нагрузка создаётся гидростатическим давлением протекающей по тоннелю жидкости.

На рисунке 3.35. показаны обделки, преднапрягаемые с использованием металлических обручей или бандажей.

Рис. 3.35. Предварительно напряжённая железобетонная обделка:

а – обделка, обжимаемая в стальной обруч при помощи гидравлических домкратов; б – обделка, преднапрягаемая при помощи бандажей с винтовым устройством; 1 – блоки обделки; 2 – стальной обруч; 3 – железобетонные вкладыши; 4 – гидравлический домкрат; 5 – бандаж и стальных тросов; 6 – винтовое устройство для натяжения бандажа; 7 – стальная рамка.

Такой способ создания усилия предварительного напряжения сложен в исполнении и не может обеспечить сохранение усилия преднапряжения на весь период эксплуатации тоннеля, так как стальные обручи и бандажи подвержены коррозии и могут со временем разрушиться. Для создания предварительного напряжения в сборных железобетонных обделках напорных гидротехнических тоннелей японскими инженерами была разработана конструкция обделки, обжимаемая стальными тросами, расположенными в каналах внутри сечения блока (рис. 3.36.)

Рис. 3.36. Конструкция обделки преднапрягаемой стальными тросами, расположенными внутри блока:

а – схема кольца обделки; б – арматурный каркас с каналами для пропуска тросов; 1- стальной трос; 2 – гибкая полимерная трубка для пропуска троса; 3- анкер, фиксирующий усилие преднапряжения; 4 – съёмный гидравлический домкрат.

Стальной трос 1, с закреплённым на одном из его концов фиксирующим анкером 3, по мере монтажа сборной обделки протаскивается через каналы, образованные в блоках обделки трубками 2. После окончания монтажа обделки на тросе закрепляется гидравлический домкрат 4, при помощи которого осуществляется натяжение троса.

Несколько позже было предложено осуществлять предварительное напряжение сборных железобетонных обделок путём их обжатия в окружающий грунтовый массив, который в этом случае выполнял функцию стального обруча. Принципиально такой способ преднапряжения выглядит следующим образом. Создаваемый проходческим щитом контур выработки имеет несколько меньший диаметр, чем наружный диаметр обделки, монтаж обделки осуществляется непосредственно на породу, а на заключительном этапе монтажа осуществляется вдавливание обделки в контур выработки. В результате на контуре выработке возникают напряжения упругого отпора грунта, которые действуют на наружную поверхность обделки, создавая в сечениях её элементов сжимающие усилия.

На рисунке 3.37. показаны различные способы обжатия обделки в грунт.

Рис. 3.37. Схемы обжатия обделки в грунт:

а – клиновым элементом, расположенным в замке обделки; б – гидравлическим домкратом, расположенным в нижнее точке вертикального диаметра; в – двумя гидравлическими домкратами расположенными в стыках лоткового элемента; г – двумя гидравлическими домкратами расположенными в уровне горизонтального диаметра обделки; 1 – клиновой элемент; гидравлический домкрат; 3 – железобетонный вкладыш.

Прежде чем приступить к детальному рассмотрению показанных на рисунке 3.37. конструкций отметим достоинства обделок обжимаемых в грунт не зависимо от применяемого способа обжатия. В результате выполнения обжатия обделки в грунт она практически сразу же вступает в совместную работу с окружающим её массивом, что приводит к сокращению до минимума деформаций контура выработки внутрь тоннеля, а следовательно и к уменьшению осадок поверхности земли над тоннелем. Исключение зазора между обделкой и контуром выработки делает ненужным процесс нагнетания раствора за обделку, возможно только проведение контрольного нагнетания. И, наконец, в результате обжатия происходит плотное закрытие продольных стыков в кольце обделки.

На рисунке 3.38. показана конструкция обделки обжимаемой в грунт путём вдавливания клинового элемента расположенного в шелыге свода.

Рис. 3.38. Конструкция обделки обжатой в грунт клиновым замковым элементом.

В состав кольца обделки входят пять типов элементов: нормальные Н, лотковый Л, смежный левый , смежный правый а также клиновидный замковый элемент К.

Процесс обжатия обделки в грунт происходит одновременно с вдавливанием клина в плоскость кольца. С завершением монтажа завершается и обжатие обделки. Достоинством этого способа обжатия является его относительная простота, однако из-за невысокой точности исполнения элементов обделки и возможного изменения по трассе тоннеля упругих характеристик грунтового массива, часто возникает ситуация, когда клин не может полностью войти в плоскость кольца и тогда приходится его обрубать, а незаполненную часть замка бетонировать. Или наоборот, клин занял проектное положение, а нужной величины обжатия не получено. Кроме того, для выполнения операции по вдавливанию клина требуется изменить конструкцию замкового щитового домкрата.

Другой способ обжатия обделки в грунт характеризуется использованием двух гидравлических домкратов, расположенных в уровне её горизонтального диаметра (рис. 3.39.)

Рис. 3.39. Обжатие обделки двумя домкратами на уровне горизонтального диаметра:

а – схема кольца обделки; б – вид на домкратные блоки до обжатия; в – то же после обжатия и фиксации обжимающего усилия; 1 – ниши в домкратных блоках;

2 – гидравлический домкрат; 3 – железобетонный вкладыш; 4 – чугунный или стальной клин.

В конструкцию такой обделки входят блоки, имеющие сквозные ниши 1, предназначенные для установки в них домкратов 2. Эти блоки называются домкратными Д. После монтажа кольца обделки и установки домкратов, с их помощью производится вдавливание обделки в окружающий её грунт. Для фиксации усилия обжатия пространство, образовавшееся между домкратными блоками, заполняется железобетонным вкладышем 3 и фиксирующими металлическим клином и вкладышем 4.

Рис. 3.40. Схема фиксации обжимающего усилия:

1 – железобетонный вкладыш; 2 – стальной или чугунный клин; 3 – стальной или чугунный вкладыш.

В некоторых конструкциях фиксация обжимающего усилия производится при помощи специальных винтовых устройств (рис.3.41.).

Рис. 3.41. Схема винтового фиксирующего устройства:

1 – домкрат; 2 – винтовое устройство; 3 – железобетонный вкладыш; 4 – резьбовая шпилька; 5 – шайба; 6 – сварной шов; 7 – гайка; 8 – отверстие под шпильку.

Способ обжатия обделки в грунт двумя домкратами, расположенными в уровне горизонтального диаметра является более трудоёмким по сравнению с клиновым устройством и не позволяет точно определить величину обжимающего усилия, сохранившегося в обделке после снятия домкратов. Однако, существенным его преимуществом является то, что процесс обжатия обделки не зависит от неточностей допущенных при изготовлении элементов обделки, и кроме того вести работы по обжатию обделки в уровне горизонтального диаметра значительно удобнее, чем в шелыге свода.

По мере внедрения в тоннелестроение обделок обжимаемых в грунт, само предварительное напряжение обделки уходило на второй план, так как с течением времени это усилие постепенно терялось. Основными аргументами в пользу применения обжатия обделки в грунт является возможность сокращения до минимума осадок поверхности земли, исключение первичного нагнетания и плотное закрытие продольных стыков. В связи с этим при выборе способа обжатия весьма существенным аргументом в пользу того или иного способа является его простота и удобство исполнения.

На рисунке 3.37 б и 3.37 в показаны варианты обжатия обделки домкратами располагаемыми в лотковой части тоннеля. Такие конструкции применялись при строительстве метрополитенов в городах Ленинграде и Ташкенте.

На рисунке 3.42. показана конструкция обделки применявшейся при проходке перегонного тоннеля метрополитена в Ленинграде. Характерной особенностью обделки является то, что лотковый элемент состоит из двух полублоков Л₁ и Л₂ , а домкрат обжатия 1 располагается в нишах 2, устроенных в этих полублоках. После обжатия обделки в грунт, усилие обжатия переключается на клинья К₁ и К₂ и вкладыши В, домкрат удаляется и нижняя часть тоннеля омоноличивается.

Рис. 3.42. Схема обделки обжимаемой в грунт из лотка тоннеля:

а – поперечное сечение обделки; б – лотковый элемент в момент обжатия; в – лоток тоннеля после перекрепления на вкладыши; 1 – домкрат; 2 – ниша в полублоке.

Другой вариант обжатия обделки из лотковой части тоннеля был реализован при строительстве Ташкентского метрополитена (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Конструкция лоткового элемента обделки обжимаемой в грунт двумя домкратами, расположенными в продольных стыках лоткового элемента:

а – состояние в момент обжатия; б – после обжатия и перекрепления обделки на вкладыши.

Лотковый элемент Л в данном случае является единым, а домкратные ниши 1 устраиваются в его продольных стыках. После выполнения процесса обжатия в раскрывшийся стык помещают вкладыши В₁, удаляют домкрат 2, вставляют в нишу вкладыш В₂ и омоноличивают стыки.

Основным преимуществом обжатия обделки из лотковой части тоннеля является удобство проведения работ. Кроме того, расположение мест обжатия в лотке или в уровне горизонтального диаметра позволяет проводить обжатие обделки даже в слабые неустойчивые грунты. В таком случае обжатие ведётся в два этапа. На первом этапе обделка только прижимается к хвостовой оболочке щита, а затем, сразу после подвижки щита происходит обжатие обделки в грунт.