Прокопов А.Ю. Транспортные тоннели

Рис. 2.8. Габарит С (приближения строений) железнодорожного тоннеля: а – однопутный тоннель на прямом участке; б – двухпутный тоннель на прямом участке; в – однопутный тоннель на кривой;

г – двухпутный тоннель на кривой

32

Таблица 2.4

Допускаемые скорости движения в кривых различных радиусов и возвышений наружного рельса при непогашенном ускорении 0,7 м/с2

33

Таблица 2.5

Смещение точек ∆i габарита С для кривых радиусов от 200 м до 1500 м

2.4.2 Выбор формы поперечного сечения тоннеля

Основными факторами, влияющими на выбор формы поперечного сечения тоннеля, являются:

1 Устойчивость горных пород. При заложении тоннелей на больших глубинах большое значение имеет надежность работы тоннельной обделки как несущей конструкции, взаимодействующей с вмещающими породами кровли, боков и почвы выработки. При неустойчивых породах боков и кровли целесообразно использовать круглую или сводчатую форму поперечного сечения, так как они создают более благоприятный режим работы обделки, в которой возникают преимущественно сжимающие напряжения. В выработках прямоугольной формы в углах поперечного сечения возникают концентрации напряжений, что может приводить к деформациям и разрушению обделки, потому такая форма сечения может применяться только в устойчивых скальных породах.

2 Объемно-планировочные решения, заложенные в проект тон-

неля. В зависимости от того, какой принцип компоновки положен в основу (количество полос и ярусов движения, наличие служебных проходов, вентиляционных каналов, эвакуационных отсеков), форма поперечного сечения может быть прямоугольной или сводчатой (с расположением полос движения в один ярус) или круглой (с расположением полос движения в один (рис. 2.9, а) или два яруса (рис. 2.9, б).

Наиболее распространенная форма сечения железнодорожных тоннелей – сводчатая или подковообразная, при этом устраивают их, как правило, одноярусными с размещением одного (рис. 2.10, а) или двух (рис. 2.10, б) рельсовых путей.

Исключение составляют комбинированные транспортные тоннели, получающие все большее распространение при освоении подземного пространства мегаполисов. Такие тоннели организуют по двухярусной схеме с размещением в нижнем ярусе метрополитена, а в верхнем – автодорожных полос (см. рис. 1.5).

34

2.5 Тоннельная обделка

2.5.1 Общие положения

Тоннельная обделка – конструкция, предназначенная для постоянного закрепления контура тоннельной выработки (стабилизации деформаций контура), восприятия горного давления и предотвращения неорганизованного проникновения в тоннель подземных вод, а также для защиты примыкающего к тоннелю грунтового массива от выветривания.

Ограждающие несущие конструкции (обделки) и внутренние несущие конструкции тоннельных сооружений должны отвечать требованиям прочности, эксплуатационной надежности, долговечности, огнестойкости и устойчивости к различным видам агрессивного воздействия внешней среды.

Обделки следует проектировать замкнутыми из монолитного железобетона, железобетонных элементов заводского изготовления, применяемыми, как правило, при щитовой проходке, или из чугунных тюбингов, исходя из назначения сооружения и глубины его заложения, инженерногеологических условий, ожидаемых нагрузок и технологии производства строительно-монтажных работ.

Выбор наиболее рациональной конструкции обделки тоннеля следует производить на основе сравнения технико-экономических показателей различных вариантов строительства тоннеля.

2.5.2 Материалы тоннельных конструкций

Материалы для тоннельных обделок должны отвечать требованиям долговечности, прочности, морозостойкости, стойкости против агрессивных воздействий внешней и внутренней среды, несгораемости и не выделять токсичных соединений в условиях строительства и эксплуатация при нормальных и аварийных температурных режимах.

На практике получили распространение обделки из монолитного бетона и железобетона, сборного железобетона, набрызгбетона, чугуна.

В соответствии с требованиями [2] для обделки назначаются классы бетона по прочности на сжатие не ниже указанных в табл. 2.7.

Проектные марки бетона обделок и внутренних конструкций, а также конструкций рамп по морозостойкости в зонах знакопеременных температур должны быть не ниже F300.

При отсутствии знакопеременных температур проектные марки бетона обделок по морозостойкости не должны быть ниже F100.

Проектную марку бетона обделок по водонепроницаемости принимать по табл. 2.8.

36

Таблица 2.7

Требуемы классы бетона по прочности для тоннельных конструкций

Железобетонные обделки, возводимые в обводненных грунтах и не имеющие сплошной наружной или внутренней гидроизоляции, должны проектироваться из водонепроницаемого бетона марки W12 с разработкой специального регламента на производство бетонных работ. Во всех остальных случаях бетоны для обделок должны иметь марку по водонепроницаемости не ниже W8.

Для армирования железобетонных конструкций используется горячекатаная сталь различных классов, механические характеристики которой принимаются согласно действующим нормативным документам.

Прочностные характеристики чугуна тюбинговых обделок из серого литейного чугуна должны соответствовать ГОСТ 1412, из высокопрочного чугуна – ГОСТ 7293.

Нормативные и расчетные сопротивления проката для стальных конструкций и отливок из серого чугуна разных марок следует принимать по СП 16.13330.2011.

37

Для изготовления тюбингов наиболее широко применяют серый чугун марки СЧ-20, а также марок СЧ30 и СЧ35. Характеристика чугуна этих марок представлена в табл. 2.9.

Таблица 2.9

Физико-механические характеристики материалов для чугунных тюбингов

Находит применение для производства чугунных тюбингов и высокопрочный чугун марки ВЧ. Он имеет повышенные прочностные характеристики благодаря применению графитизирующих присадок (например, ферросилиций в количестве 0,1–0,6 %), создающих его мелкозернистую структуру.

2.5.3 Конструкции монолитных тоннельных обделок

Монолитные обделки, как правило, применяют при горном способе сооружения тоннелей, при этом они имеют некруговую форму. Их выбор осуществляется исходя из горно-геологических условий участка строительства.

Вмонолитных, невыветривающихся, неразмываемых скальных горных породах большой крепости при отсутствии подземных вод выработка транспортного тоннеля может быть оставлена без обделки. При необходимости сводчатую часть или плоскую кровлю выработки закрепляют железобетонными анкерами с большим сроком службы.

Вкрепких, но выветривающихся скальных грунтах устраивают защитную облицовку контура выработки.

Облицовочная обделка в кровле выполняется из набрызгбетона толщиной до 10–15 см, нанесенного по стальной сетке, прикрепляемой к коротким анкерам временного типа. Бока выработки облицовываются слоем набрызгбетона толщиной 5–7 см.

Вуказанных случаях входные участки тоннелей на длину не менее 6 м закрепляются несущей обделкой, способной воспринять также про-

38

дольную составляющую горного давления, возникающую у порталов в выветренных грунтах.

В монолитных скальных грунтах (f = 8–10 и более), оказывающих только вертикальное горное давление и обладающих достаточной прочностью в стенах выработки, тоннельная обделка может быть выполнена в виде монолитного бетонного свода, опирающегося на уступы стен, которым задают запасы 20–30 см (рис. 2.11). Запасы уступов исключают возможные ослабления опор свода при взрывании штроссы. При этом необходимо, чтобы пролет свода не превышал его высоту более чем в 4 раза.

Рис. 2.11. Тоннельная обделка в виде монолитного бетонного свода, опирающегося на уступы стен

При более пологом своде резко возрастает изгибающий момент в замке, что требует значительного увеличения толщины обделки. Поэтому в таких грунтах более совершенной конструкцией, упрощающей технологию строительства тоннеля, является многослойный свод из набрызгбетона общей толщиной 15–20 см с анкерами, армированный стальными сетками или фибрами. Бока выработки защищают от выветривания слоем набрызгбетона толщиной 5–7 см.

Взакрепленных таким образом выработках подошву выравнивают слоем бетона класса по прочности В7,5 толщиной 15–20 см, который служит основанием для щебеночного балласта в железнодорожных тоннелях и основанием проезжей части в автодорожных тоннелях.

Вслаботрещиноватых и трещиноватых скальных грунтах с коэффициентом крепости f = 4–8, оказывающих горное давление, устраивают несущие обделки, форма и конструкция которых зависят от величины и характера распределения горного давления и других нагрузок и воздействий на обделку.

Форме поперечного сечения обделок тоннелей, сооружаемых горным способом, придают подковообразное очертание в виде подъемистого свода, опирающегося на грунт или обратный свод. Такая обделка плавно огибает габарит приближения строений, а ее толщина, как правило, постепенно увеличивается от свода к пятам.

При отсутствии или небольшой величине бокового давления и отсутствии гидростатического давления стены обделки могут быть вертикаль-

39

ными с постоянной толщиной по высоте или некоторым утолщением в нижней части для лучшего опирания на подошву выработки.

В более слабых грунтах (f < 3–4), оказывающих наряду с вертикальным значительное горизонтальное давление на конструкцию, а также в грунтах, где проявляется давление набухания, направленное снизу вверх, обделка должна иметь обратный свод, исключающий возможность сдвига стен внутрь выработки и воспринимающий возможное давление со стороны подошвы выработки. Обратный свод распределяет также нагрузки с проезжей части на грунт. В грунтах, развивающих значительное горизонтальное давление, стенам обделки целесообразно придать криволинейное внутреннее очертание [22].

Институтом «Ленметрогипротранс» разработаны типовые конструкции обделок сводчатого очертания из монолитного бетона и железобетона, рекомендуемые к применению для железнодорожных и автодорожных тоннелей в различных инженерно-геологических условиях, характеризующихся коэффициентом крепости f и средним расстоянием между трещинами bт. Принципиальные решения конструкций типовых обделок однопут-

ных железнодорожных тоннелей на прямых участках (типы I, II и III) и на кривых (типы Iк, IIк и IIIк) представлены на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Монолитные обделки однопутных железнодорожных тоннелей:

а– обделка тип I; б– обделка тип Iк; в – обделка тип II; г – обделка тип IIк;

д– обделка тип III; е – обделка тип IIIк

40