Сборные металлические тоннельные обделки:
Обделка из чугунных тюбингов. В тоннелестроении наиболее широко применяется серый чугун марки СЧ21-40, обладающий достаточно высокой устойчивостью против коррозии. Прочность такого чугуна характеризуется величинами сопротивления на растяжение и сжатие:
Rр = 21 кгс/мм2 и Rи = 40 кгс/мм2.
Так как сопротивление чугуна растяжению сравнительно невелико, размеры элементов обделки подбирают с неполным использованием прочности чугуна на сжатие.
Рисунок 6.1 Схема разбивки кольца чугунной обделки на элементы
При необходимости может быть применен так называемый модифицированный чугун марок МСЧ (28—38)—(90—120). Механические свойства модифицированного чугуна повышаются благодаря применению графитизирующих присадок в жидкий чугун, создающих мелкозернистую структуру. В качестве присадок используют ферросилиций в количестве 0,1—0,6%.
Конструкция чугунной обделки. Чугунная обделка тоннелей представляет собой цилиндрическую трубу, состоящую из последовательно собираемых колец одинакового типа и размера. Каждое кольцо состоит из сегментов коробчатого сечения — тюбингов, сболчиваемых между собой и со смежными кольцами. Разбивку кольца обделки на составные элементы (тюбинги) в основном подчиняют удобству сборки и перемещения. Поэтому в составе кольца (рисунок 6.2) предусматривают один верхний тюбинг клиновидной формы (ключевой К), два тюбинга, смежных с верхним, промежуточной формы (смежные С) и остальные стандартной формы (нормальные Н) с бортами, направленными радиально.
Основные размеры тюбингов устанавливают исходя из конструктивно-производственных соображений. Механизированная формовка опок для отливки возможна при наибольшей длине тюбинга 200 см. Этот размер ограничивает до 160—190 см с тем, чтобы вес одного элемента не превышал 1,0—1,5 т, что позволяет производить монтаж обделки обычными средствами.
Ширину тюбингов определяют главным образом в зависимости от устойчивости пересекаемых пород и размеров поперечного сечения тоннеля. Так, например, для тоннелей метрополитенов нижний предел ширины кольца тюбингов составляет 50 см, верхний — 100 см. Чем устойчивее порода и меньше диаметр выработки, тем больше может быть ширина кольца тюбингов. Это объясняется условиями безопасности проходческих работ в забое щита.
Общее направление современного проектирования — увеличение длины тюбинга, ширины кольца обделки и изменение формы лоткового элемента, что приводит к уменьшению протяжения стыков, количества болтов и операций по сборке и очистке лотка, приходящихся на 1 пог. м тоннеля. В соответствии с этим видоизменяются конструктивные формы обделки, режимы работ и механовооруженность проходческих щитов.
Для уменьшения трудоемкости и стоимости работ по очистке лотка от породы создана обделка кругового очертания с плоским лотком. Кольцо внешним диаметром 5,1 м с плоским лотком из тюбингов (рисунок 7.2) состоит из лоткового блока ЛП2 с плоской поверхностью, четырех тюбингов Н-3-Л, трех тюбингов Н-2-Л, двух тюбингов С-2-Л и одной замковой клиновидной прокладки.
Лотковый блок выполнен из железобетона. Его плоская поверхность покрыта двумя чугунными ребристыми плитами, служащими гидроизоляцией блока. Эти плиты, связанные анкерами с арматурным каркасом блока, во всех сопряжениях образуют чеканочные канавки для гидроизоляции швов. Такой железобетонный блок по водонепроницаемости равноценен чугунному тюбингу.
Рисунок 6.2 Схема кольца чугунной обделки с плоским лотком
В центре лоткового блока имеется отверстие переменного сечения для крепления захвата тюбингоукладчика, а также для нагнетания за обделку. Крепление лоткового блока к радиальным торцам примыкающих тюбингов — болтовое.
Обделка такого типа предусмотрена для участков тоннелей метрополитена, проходимых без щита, так как при замыкании кольца по условиям монтажа необходимо несколько приподнимать торец одного смежного тюбинга.
Для условий щитовой проходки создана чугунная обделка диаметром 5,2 м с плоским лотком. Конструкция этой обделки позволяет замыкать кольцо изнутри (рисунок 6.3).
В составе кольца, помимо плоского лоткового блока, конструкция которого такая же, как в ранее описанной обделке, предусмотрены три тюбинга ключевых, четыре тюбинга нормальных, четыре тюбинга смежных. В обделках обоих типов кольца комплектуются из обычных стандартных тюбингов; плоский лотковый блок необходимо выполнять с высокой степенью точности. При увеличении ширины тюбинга целесообразно дополнительно вводить промежуточное кольцевое ребро. Трехреберный тюбинг шириной 100 см обладает при меньшем весе повышенной прочностью и жесткостью.
Рисунок 6.3 Схема кольца чугунной обделки с плоским лотком и тремя ключевыми тюбингами
Тюбинг (рисунок 6.4) представляет собой литое изделие, имеющее плиту-оболочку с цилиндрической поверхностью, обращенной к породе, четыре борта, окаймляющих оболочку и направленных внутрь тоннеля. Эти борта служат для соединения отдельных тюбингов в кольца и целых колец между собой. Кроме того, борта придают оболочке и обделке в целом необходимую жесткость. Борта, параллельные продольной оси тоннеля, называются продольными, или радиальными, а перпендикулярные к оси тоннеля носят название поперечных, или круговых.
Рисунок 6.4 Общий вид тюбинга
Продольные борта служат для соединения отдельных тюбингов в кольцо, а поперечные — для соединения колец между собой.
Все борта имеют одинаковую форму и размеры поперечного сечения; для обеспечения плотного взаимного примыкания и повышения водонепроницаемости их наружные поверхности подвергают механической обработке и снабжают фальцами. При сборке двух, соприкасающихся тюбингов эти фальцы образуют желобок, предназначенный для зачеканки стыков.
Основной параметр тюбинга, определяющий размер выработки — высоту борта hб, назначают в зависимости от внутреннего диаметра обделки Dвн.
В устойчивых водоносных породах предварительно можно принять hб = (0,02—0,03)Dвн; для неустойчивых пород 0,04 Dвн.
Оболочке тюбинга, рассчитываемой с учетом ее кривизны на растяжение и сжатие при разных сочетаниях внешних нагрузок, обычно придают переменное сечение. Минимальная толщина оболочки по условиям долговечности и процесса чугунного литья 18—20 мм.
В оболочке каждого тюбинга имеется нарезное отверстие диаметром до 60 мм для нагнетания раствора, закрываемое металлической пробкой.
С целью повышения жесткости колец обделки, особенно в монтажный период, когда обделка деформируется под действием собственного веса, применяют перевязку продольных стыков: смещают каждое кольцо на два болтовых отверстия с таким расчетом, чтобы тюбинги двух соседних колец выполняли роль накладок.
Все тюбинги и кольца соединяют стальными болтами диаметром 20— 45 мм.
Болтовые отверстия в поперечных бортах располагают в один ряд по средней линии с одинаковым шагом, что обеспечивает взаимозаменяемость тюбингов, длина которых кратна шагу отверстий, и возможность сболчивания соседних колец при любом их взаимном расположении, т.е. позволяет осуществить в необходимых случаях перевязку продольных швов.
Болты, устанавливаемые в поперечных бортах, выполняют роль монтажных соединений, вступающих в работу лишь при значительном прогибе всего тоннеля как балки на упругом основании.
Болты в продольных бортах, являющиеся рабочими, располагают в два ряда в шахматном порядке, чтобы не допустить раскрытия швов внутрь и наружу кольца под действием изгибающих моментов переменного знака. Чтобы уменьшить величину последних, болты располагают в один ряд. Для облегчения сборки диаметры болтовых отверстий принимают на 3—4 мм больше диаметра болтов.