1654

наибольший продольный уклон дороги не должен превышать

45‰.

Вдипломном проекте вычерчивают продольный разрез по оси тоннеля (рис. 2.3) на листе ватмана аналогично профилям трасс, но в более крупных масштабах (см. табл. 1.1). На разрезе условными обозначениями показывают геологические условия с характеристиками пород, типы обделок.

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК СВОДЧАТОГО ОЧЕРТАНИЯ

3.1.Внутреннее очертание обделок и габариты

Форма и размеры транспортных тоннелей определяются типом транспорта, заданными габаритами приближения строений и оборудования, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, системой и объемами вентиляции, способом сооружения тоннеля.

В зависимости от числа полос движения или путей и типа транспорта поперечное сечение транспортного тоннеля должно удовлетворять соответствующему габариту, представляющему собой условный контур, внутрь которого не должны заходить никакие части сооружений и устройств, за исключением предназначенных для непосредственного взаимодействия с транспортом.

Внутреннее очертание обделок автодорожных тоннелей должно удовлетворять габаритам приближения строений и оборудования с учетом размещения за пределами габарита вентиляционных каналов, размеры которых определяются соответствующим расчетом.

Габариты приближения строений и оборудования 5 для

18

дорог разных категорий приведены на рис. 3.1 и 3.2.

Ось тоннеля и проезжей части

Рис. 3.1. Габарит приближения строений и оборудования для дорог I и II категорий

Ось тоннеля

Ось проезжей части

2500

Рис. 3.2. Габарит приближения строений и оборудования для дорог III и IV категорий

Ширина проезжей части Г приведена в табл. 3.1.

При расположении автодорожных тоннелей на кривых радиусом 1000 м и менее производят уширение проезжей части с внутренней стороны кривой. Величины уширений для двухполосных тоннелей зависят от радиуса кривой и длины автотранспорта, они приведены в табл. 3.2.

Для дорог I и II категории с обеих сторон проезжей части располагаются служебные проходы шириной 750 мм. Ось тоннеля совпадает с осью габарита. Для дорог III и IV категорий служебный проход шириной 750 мм устраивается с одной стороны проезжей части, а с другой - защитная полоса шириной 500 мм. В этом случае ось тоннеля смещена от оси проезжей части в сторону служебного прохода на 125 км.

При строительстве новых тоннелей нормами (СНиП 32-04-

20

97), введенными с 1.01.98 г., предписывается:

1) в автодорожных тоннелях длиной более 1000 м предусматривать остановочные полосы шириной не менее 2,5

м, а при отсутствии остановочных полос - местные уширения через каждые 750 м с площадками для аварийной остановки транспорта; длина площадок не менее 50 м, а ширина - не менее 2,75 м; при двустороннем движении площадки располагают с каждой стороны тоннеля; размер Г габарита в пределах полос площадок увеличивают соответственно на

2,5 или 2,75 м;

2) в тоннелях при разнонаправленном движении устраивать служебные проходы с каждой стороны тоннеля, независимо от категории автодороги.

Для автодорожных тоннелей весьма большое значение имеет вентиляция, и поэтому в тоннелях длиной свыше 1 км в подсводной части обычно располагаются вентиляционные каналы. При построении внутреннего контура автодорожного тоннеля следует предварительно установить систему вентиляции, рассчитать объем воздуха, потребного для проветривания тоннеля, и определить необходимую площадь сечения вентиляционных каналов.

Для автодорожных тоннелей системы вентиляции обычно устанавливают в зависимости от длины тоннеля и интенсивности движения (табл. 3.3 и рис. 3.3).

Рис. 3.3. Системы искусственной вентиляции в тоннелях: а - продольная; б - полупродольная;

Расчет воздуха, требуемого для проветривания тоннеля, и необходимой площади сечения22вентиляционного канала (тон-

неля) производится по 9, с. 96-107 . При этом предельно допустимая концентрация окиси углерода в воздухе тоннеля не должна превышать следующих значений: при нахождении автомобиля в тоннеле до 5 мин - 60 мг/м3; до 10 мин - 35 мг/м3;

до 15 мин - 26 мг/м3; до 20 мин - 21 мг/м3 1, п. 7.27 .

Время нахождения автомобилей в тоннеле определяют в зависимости от расчетной скорости их движения по тоннелю, которая не должна превышать: для дорог I и II класса - 60 км/ч; для дорог III класса - 50 км/ч; для дорог IV класса -

40км/ч.

Внутреннее очертание обделки зависит также от

геологических условий.

Практика проектирования определила ориентировочные границы геологических условий, в которых могут быть применены обделки того или иного очертания, и выработала некоторые правила построения этих контуров. Основными правилами являются требования плавного изменения оси обделки и ее подъемистой сводчатой формы при преобладании вертикальных нагрузок. При отсутствии бокового горного давления стены обделки сводчатой формы проектируют вертикальными, а свод очерчивают по круговой или трехцентровой кривой.

Следует заметить, что, несмотря на очевидные с точки зрения объемов и производства работ достоинства прямых вертикальных стен, предпочтительнее криволинейное внутреннее очертание их в связи с образованием во многих случаях продольных трещин в местах сопряжения свода с прямыми стенами.

При воздействии вертикального и незначительного бокового горного давления применяется подъемистый свод, контур которого очерчивается по трехцентровой коробовой кривой. В породах, оказывающих на обделку значительное боковое давление, а также склонных к пучению, необходима обделка замкнутого очертания23с обратным сводом или усиленным плоским лотком.

Между внутренним контуром обделки и угловыми точками габарита должен быть обеспечен некоторый зазор, гарантирующий от появления негабаритности из-за возможной неточности размеров при сооружении обделки и деформаций конструкций. Для скальных пород этот зазор принимают равным 5 10 см, для слабых - 15 см.

По внутреннему очертанию обделка должна быть однотипной по всей длине тоннеля, что способствует стандартизации механизмов, оборудования и опалубки.

3.2. Материал тоннельных обделок

Материалы тоннельных конструкций должны отвечать требованиям прочности, долговечности, огнестойкости, устойчивости химической агрессивности подземных вод, не выделять токсичных соединений в условиях строительства и эксплуатации тоннеля при нормальных и аварийных температурных режимах.

Выбор материалов обделок производится с учетом возможности использования местных строительных материалов и максимальной механизации процесса сооружения обделок.

Основными материалами для сооружения обделок горных тоннелей являются монолитный бетон, железобетон и набрызг-бетон. Выбор материала зависит от геологогидрогеологических, сейсмических и других условий, характеризующих особенности расположения тоннеля, с учетом способов производства тоннельных работ.

Порталы проектируют из монолитного бетона и железобетона. Монолитный железобетон для обделки и порталов допускается применять при экономических и статических обоснованиях, а также при строительстве тоннелей в районах с сейсмичностью 7-9 баллов и при пересечении зон тектониче24ских нарушений массива. Минимальную толщину защитного слоя бетона для рабочей

арматуры монолитной железобетонной и набрызг-бетонной обделки следует принимать по табл. 3.4.

Класс бетона по прочности на сжатие следует принимать не ниже:

для монолитных бетонных обделок, порталов, оголовков

-В15;

для сборных железобетонных обделок - В30;

для монолитных железобетонных обделок - В25;

для набрызг-бетонных обделок - В15.

Та б л и ц а 3.4

Проектные марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости назначаются с учетом принятой системы гидроизоляции и климатических условий, в которых сооружается тоннель (табл. 3.5).

Расчетные характеристики монолитного бетона приведены в табл. 3.6.

25

Т а б л и ц а 3.6

В качестве рабочей арматуры монолитных железобетонных конструкций следует применять преимущественно горячекатаную стержневую сталь периодического профиля класса АII и АIII, в качестве монтажной - гладкую класса АI, руководствуясь нормами (СНиП 2.03.01-84).

3.3. Конструирование тоннельных обделок

Внешнее очертание обделки из монолитного бетона определяют в зависимости от инженерно-геологических условий. Толщину бетонных обделок назначают исходя из крепости окружающих пород и класса бетона. Для предварительного назначения геометрических размеров обделок из монолитного бетона можно пользоваться данными табл. 3.7, полученными на основании обобщения опыта проектирования. Однако следует помнить, что эти данные ориентировочные и правильность назначения размеров обделки обязательно должна проверяться статическими расчетами.

Т а б л и ц а 3.7

Примечания: 1. В прочных монолитных невыветривающихся неводоносных породах с f 10 выработка может быть оставлена без обделки. В случае выветривания этих пород устраивают защитную облицовку из набрызг-бетона. 2. В слабых породах с f = 1 3 при применении обделки в виде пологого свода, опирающегося на массивные стены, принимают толщину стен hст 1,7 2 м при классе бетона В25 и высоте стен l 5 м. 3. В неустойчивых породах, в особенности водоносных, оказывающих на обделку всестороннее давление, а также в глинистых породах, склонных к пучению, необходимо сооружение обратного свода. 4. При увеличении размеров тоннеля в местах расположения остановочной полосы или площадки для аварийной остановки толщину замкового сечения необходимо увеличить на 10 15 см.

Конструктивные формы транспортных тоннелей сводчатого очертания их применения приведены в литературе 9, с. 171-182; 10, с. 136-139; 11,с. 39-42; 13, с. 63-68 .

Конструкции автодорожных тоннелей устраивают в основном в виде пологих и подъемистых сводов, имеющих очертание по круговой кривой (рис. 3.4). В этом случае проектирование свода обделки выполняют в следующем порядке:

1. Пролет в свету l0 принимают:

3П - ширина защитной полосы;3 - зазор между стенами и углами габарита;

б - ширина берм, принимают равной 10 20 см при схеме пологого свода, опертого на породу.

2. Отношение пролета в свету к стреле подъема f0 принимают:

= 2,5 4,0 (для пологого свода);

= 2,1 2,4 (для подъемистого свода).

3.Определяют стрелу подъема в свету:

расстояние от замка обделки до верхней границы габарита составляло не менее 3 м при продольной системе вентиляции и 4 4,5 м - при поперечной системе вентиляции.

5. Пятовые сечения свода предварительно проводят в направлении нормалей к внутреннему очертанию свода по концам пролета в свету и определяют предварительный угол наклона пяты свода, вычисляя:

нормально к его оси. При круговом наружном и внутреннем очертаниях свода ось его близка к круговой кривой. Поэтому с достаточной степенью точности угол может быть окончательно принят соответствующим круговому очертанию

9. Определяют окончательные (уточненные) расчетные стрелу подъема и пролет свода:

своде принимают на продолжении внутреннего радиуса свода r0 . Нижняя точка осевой линии на обрезе фундамента находится посредине.

Высоту стены тоннеля определяют графически с учетом высоты вентиляционного канала и габарита, толщины проезжей части с подстилающим основанием и высоты фундамента.

На подошве выработки укладывают гравийно-щебеночное основание толщиной 1 = 20 40 см при асфальтобетонном покрытии и толщиной 1 = 15 20 см при цементно-бетонном покрытии. Поверх основания укладывают сточный треугольник из бетона толщиной по оси проезжей части,

асфальтобетона толщиной 1 2 см или цементобетона толщиной 18 24 см.

Высота фундамента от края проезжей части до подошвы

30

выработки составляет 70 100 см.

Конструкции обделок из монолитного железобетона применяют в нарушенных скальных породах с f 3, на

припортальных участках, в тектонических зонах с повышенным горным давлением и в сейсмоопасных районах с сейсмичностью 7 9 баллов.

В скальных породах с коэффициентом крепости f 7, в которых горное давление невелико и проявляется в виде отдельных вывалов, рациональны облицовочные обделки из набрызг-бетона в сочетании с анкерами. Обделку этого типа рекомендуется сооружать из железобетонных анкеров и набрызг-бетона, наносимого на металлическую сетку с ячейками 100×100 или 150×150 мм.

В курсовом проектировании расчет обделки из набрызгбетона следует выполнять по указаниям главы 9. При всех типах обделки покрытие из набрызг-бетона может быть выполнено как по металлической сетке (армированный набрызг-бетон), так и без нее.

Тоннели должны быть защищены от проникания поверхностных и подземных вод. Водоотводные устройства и

части составляет 20 ‰ от оси к стенам. Вода течет вдоль защитных полос и сквозь чугунные решетки-трапы поступает в водоприемники, расположенные не реже чем через 40 м вдоль тоннеля, и оттуда через чугунные трубы диаметром 150 мм попадает в центральный дренажный коллектор, либо она отводится по водоотводным лоткам, расположенным по краям проезжей части.

Для хранения ремонтного оборудования в автодорожных тоннелях устраивают камеры по обеим сторонам тоннеля через 300 м в шахматном порядке. В тоннеле длиной 400 м предусматривают одну камеру 31посредине. Камеры имеют размеры: ширина - 2000 мм; глубина - 2000 мм; высота до шелыги свода - 2500 мм. Между камерами располагают ниши через 60 м с каждой стороны тоннеля. Размеры ниш: 2000×500×2500 мм.

Конструкции порталов проектируют с учетом местных геологических и гидрогеологических условий, горного давления и устойчивости откосов.

4. РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ БЕТОННЫХ ОБДЕЛОК СВОДЧАТОГО ОЧЕРТАНИЯ

4.1. Общие положения

Конструкции тоннельных обделок рассчитывают по предельным состояниям в соответствии с действующими нормами 1,2 . В общем случае расчет ведут по двум группам предельных состояний:

1.По несущей способности на прочность и, в необходимых случаях, на устойчивость формы конструкции.

2.По деформациям, раскрытию трещин или на трещиностойкость.

На практике обычно расчет монолитных бетонных обделок сводчатого очертания выполняют только по несущей способности и на трещиностойкость. Расчет по деформациям, как правило, не производят, так как монолитные обделки имеют большую жесткость и предельные деформации в них достигаются лишь после потери несущей способности трещин

сраскрытием, превышающим предельно допустимые величины.

При выполнении курсового или дипломного проекта расчет обделки из монолитного бетона допускается производить только по несущей способности на прочность.

Расчет выполняют в следующей последовательности:

1) назначение расчетной 32схемы с заданием основных размеров и материала обделки: высоты и пролета конструкции, толщины обделки в расчетных сечениях, класса бетона и т.д.; 2) определение нагрузок, действующих на тоннельную

обделку;

3)определение расчетных усилий (изгибающих моментов, нормальных сил) в различных сечениях обделки;

4)проверка прочности обделки в расчетных сечениях.

4.2. Назначение расчетной схемы

Расчетные схемы обделок выбирают в зависимости от инженерно-геологических условий заложения тоннеля, конструкции обделки и принятых методов производства работ по сооружению тоннеля. Подробные сведения о назначении расчетных схем приведены в работах 9, с.324-334; 10, с.192199; 11, с.63-71; 13, с. 156-163, 15,с.162-166 . В настоящей работе рассматриваются лишь некоторые случаи их применения. При выполнении курсового или дипломного проекта используют следующие характерные типы конструкций обделок сводчатого очертания и соответственно расчетных схем (табл. 4.1):

пологий свод, опирающийся на породу;

пологий свод, опирающийся на вертикальные стены;

подъемистый свод, опирающийся на породу;

подъемистый свод, опирающийся на обратный свод. Обделку в виде пологого свода, опертого на породу,

применяют при сооружении тоннелей в скальных устойчивых породах с коэффициентом крепости f 8 10, когда вертикальное давление незначительно, а боковое практически отсутствует. Расчетная схема в этом случае представляет собой упругий свод с упругозащемленными пятами в породу, т.е. предусматривается возможность поворота и горизонтального смещения пят (см. табл. 4.1, позиция 1). В результате деформации обделки под нагрузкой большая часть

33

пологого свода выходит из контакта с упругой породой и оказывается в безотпорной зоне.

Конструкция обделки в виде пологого свода, опертого на вертикальные гибкие стены, применяется при сооружении автодорожных и двухпутных железнодорожных тоннелей в скальных породах с коэффициентом крепости f = 2 4, не

оказывающих большого бокового горного давления. Расчет производят с расчленением тоннельной обделки на свод и вертикальные стены при учете их упругого взаимодействия. Свод считают бесшарнирным и упругость заделки его пят определяют смещениями верхнего сечения вертикальной стены, работающей как балка на упругом основании (см. табл. 4.1, позиция 2). Подошва стены не получает горизонтальных смещений из-за значительных сил трения в основании.

В слабых породах с коэффициентом крепости f 3, обладающих большим горизонтальным давлением, и при проходке тоннеля способом раскрытия выработки по частям применяют обделку в виде пологого свода, опертого на вертикальные массивные стены (см. табл. 4.1, позиция 3). В этом случае расчетная схема применяется в виде упругого свода с упругозащемленными в жесткие стены пятами. Массивная жесткая стена под действием усилий перемещается по вертикали и поворачивается относительно центра подошвы. Смещения стены по горизонтали не происходит ввиду значительных сил трения по подошве фундамента.

Обделку в виде подъемистого свода широко применяют при сооружении автодорожных и железнодорожных тоннелей в самых разнообразных инженерно-геологических условиях. При заложении тоннелей в плотных и устойчивых породах с коэффициентом крепости f = 4 8 в качестве расчетной схемы принимают схему подъемистого свода, опирающегося на породу (см. табл. 4.1, позиция 4). При этом, помимо вертикального горного давления, в расчетной схеме следует учесть вместо активного горизонтального давления упругий отпор породы по боковой поверхности36 обделки.

Если тоннель заложен в массиве слабых пород со значительным боковым давлением или в породах, проявляющих давление снизу, а также в условиях большого обводнения массива, то в конструкцию обделки следует включить обратный свод. Обратный свод воспринимает давление снизу, распределяет вертикальное давление на большую площадь и предотвращает смещение стен внутрь

тоннеля, вызванное действием бокового давления. В этом случае назначение расчетной схемы будет зависеть от очередности работ по возведению обделки. Когда обделку бетонируют непрерывно по всему контуру выработки или вначале возводят обратный свод, то расчетную схему принимают в виде подъемистого свода с упругой заделкой в обратный свод. Если же в первую очередь возводят верхний свод, а затем с некоторым отставанием во времени от верхнего свода или после окончательного его возведения по всей длине тоннеля бетонируют обратный свод, то считают, что обратный свод не работает на восприятие вертикальных внешних нагрузок, и расчетная схема принимает вид подъемистого свода, опирающегося на породу.

Обделку рассчитывают как статически неопределимую бесшарнирную арку, упругозащемленную в породу.

В отличие от пологого свода при деформации пят подъемистого свода учитывают только их поворот, считая, что горизонтальные смещения пят отсутствуют из-за больших сил трения по подошве фундаментов стен и характерной особенности конструкции подъемистого свода. В расчетных схемах с обратным сводом углы поворота пят подъемистого свода находят как углы поворота концевых сечений обратного свода, загруженного моментами и силами, передаваемыми подъемистым сводом. Обратный свод рассматривают как балку, лежащую на упругом основании, с обязательным учетом кривизны свода.

37

4.3. Нагрузки, действующие на тоннельные обделки

Нагрузки, действующие на тоннельные обделки, определяют в зависимости от глубины заложения и размеров выработки, климатических, инженерно-геологических и сейсмических условий строительства, конструкции обделки, способа производства работ, а также от вида транспортных средств 1 .

Все виды нагрузок делят на постоянные, оказывающие на обделку регулярное воздействие, временные, характеризующиеся периодическим длительным или кратковременным воздействием, и особые, возникающие в результате каких-либо аварийных ситуаций.

К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции, вертикальное и горизонтальное горное давление, внешнее гидростатическое давление.

Временные нагрузки включают в себя воздействие колебаний температуры, ползучести и усадки бетона, морозного пучения породы, а также нагрузки производственного и эксплуатационного характера: давление раствора при нагнетании за обделку, вес оборудования и материалов, нагрузки от движения наземного и внутритоннельного транспорта и ряд других воздействий.

Вкачестве особых нагрузок и воздействий принимают сейсмические и ударные воздействия, а также различные нагрузки аварийного характера.

Все нагрузки могут действовать одновременно или в разные моменты времени в различных сочетаниях. Поэтому при статических расчетах выявляют наиболее неблагоприятные сочетания, при действии которых в обделке возникают наибольшие внутренние усилия.

Вкурсовом проекте расчет обделки допускается производить только на основные сочетания нагрузок, состоящих из постоянных нагрузок и воздействий.

Нормативную величину горного давления на тоннельную

обделку определяют в соответствии с указаниями 1, с. 5-7; 9,

с.269-273; 10, с. 159-162; 13, с. 58-60 в зависимости от глубины заложения тоннелей и инженерно-геологических условий.

При глубоком заложении тоннелей в устойчивых породах нормативное горное давление определяют в соответствии с гипотезой проф. М.М. Протодъяконова, по которой вертикальное горное давление на обделку создается весом породы, заключенной в пространстве, ограниченном сверху контуром свода давления, а по бокам - плоскостями обрушения (рис. 4.1).Условие применимости гипотезы проф. М.М. Протодъяконова: H h1 или H1 2h1 .

Рис. 4.1. Определение горного давления при сводообразовании

Величину пролета и свода давления (обрушения) определяют по формулам

L В 2h tg 450 0,5 ; h1 0,5L f , (4.1)

где L - пролет свода давления, м; В - пролет выработки, м;

h - высота выработки, м;

- угол внутреннего трения породы, град; h1 - высота свода давления, м;