3.11. Сейсмостойкие железобетонные обделки кругового очертания.
Основным условием обеспечения сейсмоустойчивости сборных железобетонных обделок является её жёсткость. Обделки из железобетонных тюбингов обладают достаточной жёсткостью за счёт болтовых связей по продольным и поперечным бортам, достаточно высокой сейсмостойкостью обладают также обделки из железобетонных блоков с внутренней металлоизоляцией.
Жёсткость обделок без связей растяжения в продольных стыках обеспечивается за счёт устройства специального соединения блоков в углах (рис 3.44.).
Рис. 3.44. Обделка с жёсткими соединениям в углах блоков:
а - поперечное сечение кольца обделки; б – блок со срезом углов на всю высоту;
в – блок с углами, срезанными на половину высоты; 1 – арматурная петля;
2 - металлическая шпилька.
Конструкция жёсткого стыка в месте соединения четырёх блоков выглядит следующим образом (рис. 3.45.). Если углы блоков срезаны на всю высоту, и из них выпущены арматурные петли (см. рис. 3.44.б), жёсткий узел образуется следующим образом: стальная пластина, показанная на рис. 3.45.а, заводится под выступающие из углов блоков арматурные петли (см. рис. 3.45.б), и затем прижимается к ним болтами.
Когда углы блоков срезаны только на половину высоты блока (см. рис. 3.44.в) стальная пластина без приваренных к ней гаек надевается своими отверстиями на резьбовые шпильки, выходящие из углов блоков. Далее пластина закрепляется в стыке гайками на выступающих шпильках (рис. 3.45. в).
Заключительной операцией в обеих конструкциях стыка является его омоноличивание.
Рис. 3.45. Жёсткое объединение блоков обделки в углах:
а – объединительная стальная пластина; б – конструкция жёсткого узла в блоках, срезанных на всю высоту; в – то же для блоков с углами срезанными на половину;
1 – стальная пластина; 2 – отверстия в пластине; 3 – штырь для крепления опалубки;
4 – гайка; 5 – блоки обделки; 6 – арматурная петля; 7 – стальная шпилька.
Более простым решением антисейсмического узла сборной железобетонной обделки является конструкция, показанная на рисунке 3.46.
Рис. 3.46. Конструкция антисейсмического узла:
1 – железобетонный блок обделки; 2 – закладная стальная пластина; 3 – чеканочная канавка; 4 – арматурные стержни; 5 – сварной шов.
Блоки обделки объединяются в углах при помощи арматурных стержней 4, привариваемых к заанкеренным в тело блоков стальным закладным пластинам 2. Следует отметить, что обделки с такими антисейсмическими стыками допускаются к применению в районах с небольшой сейсмичностью (6-7 баллов) в крепких необводнённых грунтах.
4. Некоторые конструктивные решения японских сборных круговых тоннельных обделок
С появлением механизированных проходческих щитов с активным пригрузом забоя резко возросли скорости проходки. Для тоннелей, сооружаемых такими щитами, были разработаны сборные железобетонные водонепроницаемые обделки кругового очертания (п.3.9.). Эти обделки отличаются высокой точностью изготовления, высоким качеством бетона и применением герметизирующих стыки между элементами резиновых рамок. Однако в этих обделках используются болтовые соединения в продольных, а иногда и в поперечных стыках. Установка болтовых связей требует достаточно длительного времени, что приводит к потере скорости сооружения тоннеля. В связи с этим появились конструкции тоннельных обделок, в которых болтовые соединения между элементами заменялись связями другого типа, позволяющими быстро и надёжно монтировать сборную обделку. Особенно эффективно такие связи используются в обделках тоннелей малых, и даже средних диаметров.
Стале-железобетонная обделка (рис. 4.1.), предложенная японскими тоннелестроителями и изображенная на рисунке, монтируется из элементов, представляющих собой стальную коробку 1 с внутренним арматурным каркасом 2, заполненную бетонным раствором 3.
Рис.4.1. Конструкция сталежелезобетонного блока круговой обделки:
а – конструкция элемента; б – монтаж кольца; 1 – стальной «футляр»; 2 – арматурный каркас; 3 – бетонное заполнение; 4 - цилиндрические выступы; 5 – отверстия под цилиндрические выступы; 6 – продольные выступы; 7 – прорези в продольных стыках.
Соединение элементов по кольцевым (поперечным) стыкам осуществляется при помощи цилиндрических выступов 4, входящих в отверстия 5 в стыках ранее установленного кольца обделки. Фиксация продольных стыков происходит за счёт выступов 6, входящих в прорези 7 смежного элемента. Конструкция фиксирующих устройств, к сожалению, не детализирована и поэтому не ясно, как же обеспечивается при таком виде соединений уплотнение герметизирующих рамок в стыках между элементами и кольцами обделки.
Следует отметить, что аналог сталежелезобетонной обделки был реализован в Советском Союзе при сооружении шахтных стволов, а позднее и станции Московского метрополитена «Парк Победы» несколько раньше, чем в Японии. Элементы таких обделок называются армометаллоблоками. Однако в отечественных обделках из армометаллоблоков не предусматривается никаких связей между элементами и кольцами, а герметизация тоннеля и связь элементов между собой обеспечивается за счет привариваемых по продольным и поперечным стыкам стальных накладок.
В, так называемой, сталебетонной обделке (рис. 4.2.), каркас элемента 1 имеет только один наружный стальной лист 2, а заполнение каркаса бетоном 3 выполняется без его армирования. Объединение блоков в кольцо и соединение колец обделки между собой обеспечивается за счёт плоских выступов 4 и 5, входящих в соответствующие прорези смежных элементов. Для защиты внутренних поверхностей каркаса от коррозии они покрываются защитным слоем полимерной смолы 6.
Рис. 4.2. Конструкция сталебетонной обделки:
б – конструкция элемента обделки; б – тоннель со сталебетонной обделкой; 1 – каркас элемента; 2 – наружный стальной лист; 3 – бетонное заполнение; 4 и 5 – элементы безболтовой связи; 6 – антикоррозийное покрытие внутренней поверхности каркаса.
Как и в предыдущем варианте на рисунке не показано, как же осуществляется герметизация тоннеля, хотя, безусловно, она реализуется.
На рисунке 4.3. представлена конструкция обделки из железобетонных блоков с запирающимися сегментами. Обделка представляет собой некоторую модернизацию широко применяющейся в настоящее время высоко точной водонепроницаемой железобетонной обделки. Основным отличием рассматриваемой обделки является конструкция соединений между элементами в кольце и между кольцами. По кольцевым (поперечным) стыкам элементов обделки устроено несколько выступов 2, соответственно входящих в пазы 1 элементов соседнего кольца. Объединение и фиксация колец связью типа «выступ-паз» обеспечивается с помощью расположенных в днищах пазов контактных подушек 3 и фиксирующих поперечных планок 4, а также наклонно-поперечных плоскостей 5 выступов 2. Связь элементов в кольце обделки обеспечивается скошенными стыками типа «выступ-паз» 6. Для герметизации стыков по периметру элемента устанавливаются два ряда резиновых уплотнений 7.
Рис. 4.3 Конструкция железобетонной обделки с запирающимися сегментами:
а – конструкция блока; б – пробная сборка колец обделки; 1 – паз в поперечном торце блока; 2 – выступ в поперечном торце блока; 3 – контактные подушки паза;
4 – фиксирующие планки паза; 5 – наклонная плоскость выступа поперечного стыка;
6 – выступ продольного стыка блока; 7 – резиновая гидроизоляция.
Ещё один, более простой, в конструктивном отношении, вариант безболтовой сборной железобетонной обделки предусматривает связь между элементами в кольце и между кольцами при помощи конусных соединительных головок (рис. 4.4.).
Рис 4.4.Конструкция обделки с конусными соединительными головками:
А – схема монтажа обделки; б – обделка в готовом тоннеле; 1, 2 – конусные головки.
Конусные соединительные головки 1 кольцевых стыков входят в специальные втулки стыков соседнего кольца и там фиксируются. В продольных стыках между элементами кольца устанавливаются изогнутые конусные головки 2, которые при продольном перемещении элемента входят в отверстия втулок расположенных на смежном блоке.
Следует отметить, что идея создания сборных железобетонных обделок с безболтовыми связями не осталась без внимания европейских тоннелестроителей. Германская фирма «Херенкнехт» разработала конструкцию такой обделки (рис.4.5.).
Рис. 4.5. Конструкция безболтовой обделки немецкой фирмы Херенкнехт.
На фотографии видны отверстия и цилиндрические штыри в кольцевых, а также гнёзда и фиксаторы в продольных стыках элементов обделки.
Широко известная в отечественной и мировой практике тоннелестроения сборная обделка из элементов, имеющих в плане форму многоугольника (сотовая обделка), также не осталась без внимания японских конструкторов.
Известно, что такие обделки обладают повышенной жёсткостью и чаще всего использовались при проходке коммунальных тоннелей малых диаметров в качестве первичной обделки с последующим устройством внутренней монолитной железобетонной обоймы (вторичной обделки). Причём, как правило, элементы сотовой обделки изготавливались не из железобетона, а из других более лёгких материалов, например, из керамики.
В предлагаемом варианте конструкции обделки (рис. 4.6.), собранной из элементов шестиугольной формы 1, объединённых между собой как в кольце, так и между кольцами длинными болтами 2 не предусматривается устройство вторичной обделки.
Рис. 4.6. Конструкция обделки из блоков многоугольной формы:
а – конструкция обделки; б – готовый тоннель; 1 – шестиугольный блок обделки; 2 – болт.
Следует подчеркнуть, что все рассмотренные в этом разделе обделки проектировались для коммунальных тоннелей малых или средних диаметров, и предусматривали возможность исключения устройства вторичной внутренней обделки.