Прокопов А.Ю. Транспортные тоннели
.pdf3.6Применение BIM-технологий в проектировании транспортных тоннелей
На рубеже конца ХХ – начала XXI веков благодаря бурному развитию информационных технологий возник принципиально новый подход в проектировании, заключающийся в создании компьютерной модели объекта строительства, которая несет в себе все сведения о сооружении на протяжении его жизненного цикла (BIM-модель).
Под термином BIM (Building Information Modeling или Building
Information Model) принято понимать информационное моделирование сооружения или информационную модель. Это новый подход к возведению, оснащению, обеспечению эксплуатации и ремонту сооружения (к управлению жизненным циклом объекта), который предполагает сбор и комплексную обработку в процессе проектирования всей архитектурноконструкторской, технологической, экономической и иной информации о сооружении со всеми её взаимосвязями и зависимостями, когда сооружение и все, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объ-
ект [27].
При этом получение информации не прекращается даже после того, как сооружение уже спроектировано и построено, поскольку новый объект вступает в стадию эксплуатации, происходит его взаимодействие с другими объектами и окружающей средой, то есть начинается активная фаза «жизненного цикла» здания.
Трёхмерная модель строительного объекта (рис. 3.12) связана с информационной базой данных, в которой каждому элементу модели можно присвоить дополнительные атрибуты. Особенность такого подхода заключается в том, что строительный объект проектируется фактически как единое целое. И изменение какого-либо одного из его параметров влечёт за собой автоматическое изменение остальных, связанных с ним параметров и объектов, вплоть до чертежей, визуализаций, спецификаций и календарного графика.
В настоящее время BIM-технологии только начинают внедряться в транспортной отрасли нашей страны, однако их перспективы весьма обширны.
Технология BIM может принести ощутимый эффект при проектировании, строительстве и эксплуатации тоннелей и метрополитенов. Наличие информационной модели позволит правильно спланировать обслуживание: спрогнозировать объем необходимых материалов, смоделировать график работ, организовать процесс управления оборудованием, а также смоделировать поведение людей в чрезвычайных ситуациях и найти правильные способы выхода из этих ситуаций.
101
Рис. 3.12. BIM-модель тоннельного комплекса метрополитена Лондона
Очевиден потенциал технологии BIM для проектирования пересадочных узлов, где необходимо планировать взаимодействие транспортных артерий разного типа и распределять транспортные потоки. BIM позволяет объединять многочисленные объекты в рамках единой модели, синхронизировать работу архитекторов, конструкторов, инженеров и генпланистов. В результате появляется возможность уже на этапе проектирования просчитать и оптимизировать стоимость и график строительства, исключить коллизии. В сочетании с современными системами комплексного мониторинга тоннеля BIM-технологии позволят обеспечить эффективный контроль запаса несущей способности конструкций и применить своевременные превентивные меры по их усилению.
Контрольные вопросы
1 Какие нагрузки на обделку тоннеля относятся к постоянным? 2 Какие нагрузки на обделку тоннеля относятся к длительным?
3 Какие нагрузки на обделку тоннеля относятся к кратковременным? 4 Какие нагрузки на обделку тоннеля относятся к особым?
102
5 В чем заключается сущность схемы для расчета высоты свода обрушения?
6 Как рассчитываются вертикальные и горизонтальные нагрузки от горного давления по расчетной схеме свода обрушения?
7 Как рассчитываются вертикальные и горизонтальные нагрузки от горного давления в неустойчивых грунтах, в которых сводообразование невозможно?
8 Как следует определять значение нормативной нагрузки на обделку тоннеля в водонасыщенных несвязных грунтах, содержащих свободную воду?
9 Как определяется нагрузка от веса зданий, расположенных над тоннельным комплексом?
10 Как определяется гидростатическое давление на тоннельную обделку?
11 Как определяется нагрузка от собственного веса тоннельной обделки?
12 Как определяются расчетные нагрузки на тоннельную обделку? 13 Какие методы расчета тоннельных обделок применяются в насто-
ящее время?
14 В чем заключается суть расчетной схемы тоннельной обделки, предложенной С.С. Давыдовым?
15 Охарактеризуйте область применения схемы расчета обделки в виде пологого свода, опирающегося на породу.
16 Охарактеризуйте область применения схемы расчета обделки в виде пологого свода, опирающегося на вертикальные стены.
17 Охарактеризуйте область применения схемы расчета обделки в виде подъемистого свода, опирающегося на породу.
18 Охарактеризуйте область применения схемы расчета обделки в виде подъемистого свода, опирающегося на обратный свод.
19 В чем состоит сущность расчетной схемы контактного взаимодействия обделки с деформируемым массивом?
20 В чем состоит сущность расчета тоннельной обделки методом конечных элементов?
21 Как строится схема нагрузок на обделку подковообразного очертания?
22 Как строится расчетная схема и основная система обделки подковообразного сечения?
23 Как определяются геометрические характеристики расчетной схемы обделки подковообразного сечения?
24 Какой вид имеют канонические уравнения метода сил при расчете обделки подковообразного сечения?
25 Как определяются перемещения основной системы при расчете обделки подковообразного сечения?
26 Как определяется расчетный коэффициент упругого отпора грун-
та?
103
27 Как определяются напряжения в тоннельной обделке круглого сечения методами механики подземных сооружений?
28 Как ие основные этапы разработки и расчета конечно-элементной модели тоннеля принято выделять?
29 В чем заключается сущность BIM-технологий?
104
4 СПОСОБЫ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ
4.1 Классификация способов
Способы проходки транспортных тоннелей в зависимости от технологических особенностей и применяемого оборудования можно разделить на 3 большие группы:
–горный способ – предусматривает подземное ведение работ с ручной, буровзрывной или механизированной (проходческими комбайнами, подземными экскаваторами) технологией разработки горной породы в забое тоннеля. Проходческие работы в этом случае ведутся под защитой временной (анкерной, набрызгбетонной, рамной и др.) крепи, возводимой сразу вслед за подвиганием забоя. В зависимости от размеров сечения тоннеля и устойчивости пород проходка может вестись сразу на все сечение или с его раскрытием по частям;
–щитовой способ – предусматривает применение проходческого щита или тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК), разрушающего породу сразу на все сечение тоннеля, при этом работы ведутся без временной крепи, а ее защитную роль выполняет оболочка щита;
–открытый способ – применим только при сооружении тоннелей неглубокого заложения и предусматривает устройство и крепление котлована или траншеи, в которой монтируются и изолируются конструкции обделки тоннеля, а затем производится обратная засыпка.
При строительстве коммунальных тоннелей, кроме вышеназванных, получили применение специальные способы, позволяющие осуществлять прокладку выработки небольшого сечения без присутствия в ней людей. К ним относятся прежде всего бестраншейные технологии: продавливания, прокола, микротоннелирования и др.
Классификация способов, методов и технологий сооружения тоннелей приведена на рис. 4.1.
4.2 Методы раскрытия сечения
В зависимости от размеров (ширины, высоты) поперечного сечения тоннеля и устойчивости вмещающих горных пород проходка может вестись сразу на полное сечение (при благоприятных условиях) или с разделением площади забоя на уступы (горизонтальные или вертикальные) или на отдельные части.
Верхнюю (подсводовую часть) тоннеля называют калоттой, а нижнюю – штроссой. Рассмотрим основные методы раскрытия сечения, их основные достоинства, недостатки и область применения.
105
106
Рис. 4.1. Классификация способов сооружения тоннелей
4.2.1 Метод сплошного забоя
Предусматривает проходку одним забоем сразу на проектную площадь сечения тоннеля вчерне. Данный метод применяют при использовании щитового способа проходки, а также горного способа в следующих условиях:
–устойчивые породы крепостью f > 5–6;
–высота тоннеля – до 10–12 м;
–ширина тоннеля – до 8–10 м;
–площадь поперечного сечения – до 110–130 м2.
Технологическая схема проходки тоннеля сплошным забоем по буровзрывной технологии показана на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Технологическая схема сооружения тоннеля методом сплошного забоя:
1 – взрывные шпуры; 2 – полки для установки крепи; 3 – временная анкерная крепь; 4 – сетчатая затяжка; 5 – бетонопровод; 6 – механизированная опалубка; 7 – бетоносмеситель; 8 – бетоноукладчик; 9 – самосвал; 10 – породопогрузочная машина;
11 – буровая рама
Достоинства метода:
–возможность комплексной механизации с использованием высокопроизводительного оборудования;
–простая организация работ при отсутствии совмещения процессов;
–высокие темпы проходки (150–200 м/мес.);
–однократное воздействие на породный массив взрыванием.
Недостатки метода:
–сложность крепления при ухудшении горно-геологических условий;
–сложность и высокая трудоемкость работ по бурению и креплению при высоте тоннеля более 7–8 м;
–применение дорогостоящего крупногабаритного оборудования.
107
4.2.2 Методы уступного забоя
Методы применяют в крупных тоннелях площадью поперечного сечения более 120–130 м2.
Отличие этих методов от метода сплошного забоя заключается в разделении проектного сечения тоннеля горизонтальной плоскостью на 2 части (калотту и штроссу), каждая из которых проходится отдельным забоем. В зависимости от того, какая часть забоя разрабатывается с опережением, различают 2 варианта уступного метода:
–вариант верхнего уступа (рис. 4.3, а) применим в устойчивых нетрещиноватых породах крепостью f > 7–8, не требующих установки временной крепи. Применение данного варианта весьма ограничено благоприятными горно-геологическими условиями;
–вариант нижнего уступа (рис. 4.3, б) применим в трещиноватых породах крепостью f > 4 и предусматривает временное крепление калотты. Данный вариант широко применяется в практике проходки тоннелей большой высоты и протяженности.
Методы уступного забоя могут использоваться как при буровзрывной, так и при комбайновой технологии проходки тоннеля.
а
б
Рис. 4.3. Варианты уступного метода раскрытия сечения: а – с верхним уступом; б – с нижним уступом;
I – IV – последовательность операций
Наибольшее распространение получили 2 схемы метода нижнего уступа:
108
–схема 1 – опережение сводовой части с временной крепью – на 30–50 м;
–схема 2 – проходка штроссы на всю длину с отставанием постоянной крепи свода.
Рекомендуемые параметры уступа:
–максимальная высота при крепости пород f > = 12–10 м, при f <12–5 м.
–угол наклона плоскости уступа к горизонтали не более 80°.
При большой площади забоя (более 160–170 м2) нижний уступ могут разбивать вертикальными плоскостями на несколько участков, чаще всего на три – среднюю часть (ядро сечения) уступа и две боковые штроссы (рис.
4.4).
Рис. 4.4. Вариант уступного метода раскрытия сечения с разделением нижнего уступа на ядро сечения и боковые штроссы:
I – III – последовательность раскрытия сечения
Достоинства метода нижнего уступа:
–небольшие размеры буровых рам, их сравнительно небольшая стоимость;
–возможность применения эффективных конструкций временной крепи при проходке калотты;
–безопасность работ в нижнем уступе под возведенным бетонным сводом. Недостатки метода:
–двухстадийное проведение работ и увеличение продолжительности строительства на 30–50 %;
–ступенчатая схема транспортировки породы из забоя калотты.
4.2.3 Метод многоступенчатого забоя
При этом методе забой разбивают горизонтальными плоскостями на 3–4 уступа, которые проходятся одновременно с отставанием забоев по длине на 30–80 м. При большой ширине тоннеля каждый горизонтальный уступ может делиться на части вертикальными уступами (рис. 4.5, а, б).
109
Рис. 4.5. Технологическая схема проходки тоннеля методом многоступенчатого забоя:
а, б, в – варианты поперечных сечений тоннеля разной площади; г – продольный разрез тоннеля;
I – проходческий комбайн; II – бульдозер; III – экскаватор с обратной лопатой; IV – автосамосвал; V – опалубка; VI – перестановщик опалубки; 1–8 – последовательность разработки сечения забоя
Область применения метода:
–высота тоннеля – свыше 12 м;
–ширина тоннеля – свыше 10 м;
–площадь поперечного сечения – 120–200 м2 и более.
Применяют этот метод, как правило, при буровзрывной технологии проходки по крепким породам. Взрывание при этом производится одновременно во всех уступах. Возможно применение этого метода и в сочетании с проходческими комбайнами, каждый из которых одновременно разрушает свой уступ. Для снижения продолжительности погрузки породы в верхнем уступе может применяться бульдозер, который сбрасывает разрушенную комбайном породу на нижний уступ, где на погрузке работает мощный экскаватор (рис. 4.5, г).
Достоинства метода:
–сокращение сроков строительства;
–возможность сооружения тоннеля любых размеров поперечного сечения;
–возможность использования проходческого оборудования небольших типоразмеров.
Недостатки метода:
–сложная организация работ;
–необходимость одновременного взрывания во всех уступах;
–необходимость устройства наклонных съездов между уступами.
110