СПОСОБЫ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ

Здесь i и hi – соответственно плотность и мощность пластов породы,

залегающих над тоннелем. В формуле (5.7) суммирование производят по всем пластам породной толщин Н.

Для пластов в пределах водоносных горизонтов в формулу (5.7) вводят плотность породы с учетом ее взвешенности в воде:

где ρс – плотность необводненной породы, т/м3; ρ0– плотность воды (1 т/м3); ε – коэффициент пористости породы.

Расчетное значение нагрузки на обделку от вертикального горного давления находят по формуле, кН/м²:

где n1, – коэффициент перегрузки, принимаемый разным 1,5 при возможности образования над тоннелем свода обрушения или 1,1 – при невозможности сводообразования.

б) Равномерно распределенная по высоте обделки нормативная

возможности сводообразования над тоннелем определяется по формуле, кН/м²:

В (5.9) суммирование производят по толще воды (Н+h/2) от середины высоты выработки до земной поверхности.

Значение φ в (5.9) и (5.10) должно соответствовать породам, залегающим в боках выработки.

При наличии водоносных горизонтов взвешенность породы в воде учитывают в соответствии с формулой (5.7).

Переход к расчетному значению погрузки от горизонтального горного давления выполняется по формуле, кН/м²:

40

где n2– коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,2 (1,8) при возможности сводообразования или 0,9 (1,1) – при невозможности образования над тоннелем свода обрушении. Значения n2 , приведенные в скобках, используют в тех случаях, когда горизонтальная нагрузка ухудшает суммарное от всех воздействий напряженное состояние обделки. Это, как правило, оказывается возможным только при очень вытянутом по вертикали поперечном сечении, тоннеля.

в) Постоянную нагрузку от внешнего давления волы учитывают в расчете при расположении тоннеля или его части ниже уровня подземных горизонтов и отсутствии над тоннелем надежного водоупора. Нормативную нагрузку от давления воды, направленную по нормали в наружной поверхности обделки, определяют в соответствии с известным законом Паскаля, и

ее значение Pзн (Y ) в точке с ординатой находят по формуле:

где Н0– расстояние от верха тоннеля до поверхности водоносного горизонта. Ось Y имеет начало в шелыге свода и направлена вниз.

При наличии водоупора в пределах высоты поперечного сечения тоннеля нагрузка от внешнего давления воды прикладывается только к части обделки, находящейся выше водоупорного пласта.

Уровень поверхности водоносного горизонта принимают наинизшим в процессе производства работ по постройке тоннеля (например, при использовании водопонижения) и наивысшим, который восстановится после окончания строительства.

Расчетную нагрузку на тоннельную обделку от внешнего давления воды определяют по формуле:

где n3 – коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,1 или 0,9. Значение n3 =0,9 принимают только в том случае, когда учет нагрузки Pз (Y )

приводит к более выгодному загружению обделки.

г) Расчетную нагрузку от собственного веса конструкций находят по формуле:

41

где n4 – коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,1 (0,9) для сборных конструкций или 1,2 (0,8) – для монолитных. Значения коэффициента 77 < 1 применяют в тех случаях, когда под влиянием собственного

веса улучшается статическая работа обделки. Величину P4н определяют по размерам обделки и плотности ее материала.

Учитывая несущественное значение этой нагрузки для общего напряденного состояния обделки, допускается приводить ее к усредненной вертикальной равномерно распределенной по пролету обделки с интенсивностью

где Gоб – полный собственный вес свода или верхнего полукольца

круговой обделки, кН; В0– полупролет оси свода или осевой радиус кольца обделки.

Собственный вес массивных элементов обделки (например, боковых стен) обычно приводят к равнодействующим, прикладываемым в центре тяжести этих элементов.

д) Нагрузка от давления домкратов при передвижке щита передается на кольцевые торцы обделки. Учет этой нагрузки часто бывает необходима для проверки прочности радиальных бортов, продольных ребер и, особенно, оболочки обделки из чугунных или железобетонных тюбингов. Эта нагрузка относится к строительным воздействиям.

Нормативная нагрузка от давления щитовых домкратов на 1 м дуги торца обделки может быть определена по формуле

где Рщ – усилие, передаваемое одним щитовым домкратом (усилие рабочего хода домкрата), кН; m– количество щитовых домкратов на опорном кольце проходческого щита. Обычно Рщ = 600 – 2000 кН, а количество домкратов колеблется от 4–6 до 30–40 в зависимости от размеров и конструкции конкретного проходческого щита.

Расчетная нагрузка от давления щитовых домкратов

42

где n5. – коэффициент перегрузки для этого строительного воздействия, принимаемый равным 1,3.

е) Длительно действующая временная нагрузка от давления сжатого воздуха внутри тоннеля. При проходке тоннеля в очень неблагоприятных гидрогеологических условиях для резкого уменьшения притока воды в выработку может применяться противодавление сжатого воздуха. Зона повышенного избыточного давления воздуха (до 0,30 МПа) может достигать

250–300 м.

Находящиеся в пределах этой зоны участки обделки наряду с другими воздействиями испытывают равномерное нормальное давление изнутри тоннеля, равное принятому избыточному давлению воздуха, которое, как известно, назначается по уровню гидростатического напора (давление воды в пределах водоносного горизонта) на высоте 1/3 h от подошвы выработки.

С учетом отмеченного нормативная нагрузка на обделку от внутреннего давления сжатого воздухе может быть определена по формуле

где n6 – коэффициент, принимаемый (как для любой строительной нагрузки) равным 1,3.

При эскизном проектировании и расчете вариантов конструкции обделки нагрузки д) и е) могут не учитываться, а нагрузку от собственного веса обделки допускается определять и вводить в расчет в соответствии с формулой (5.15).

5.2. Внутренние усилия

Для определения внутренних усилий при эскизных расчетах вариантов тоннельных обделок используют табулированные и ускоренные методы. Так, обделку подковообразного очертания со сводом из монолитного бетона или из сборных элементов со связями растяжения в стыках (тюбингов) рассчитывают как пологий свод на массивных (или условно массивных) стенах [11]. Ели свод такой обделки выполнен из блоков с центрированными стыками, то он рассчитывается как многошарнирный на массивных стенах

[11].

Круговая обделка из монолитного бетона в чугунных или в

43

железобетонных тюбингах может быть рассчитана как кольцо в упругой среде по ускоренному (и табулированному) методу О.Е. Бугаевой [11; 16].

Для определения внутренних усилий в круговых обделках из блоков с Центрированными стыками могут быть использованы готовые таблицы, приведенные в [10].

Результатом выполнения второго этапа расчета являются эпюры изгибающего момента и нормальной силы для каждого из рассматриваемых вариантов тоннельной обделки.

5.3 Проверка прочности сечений обделки

После определения внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) проверяют прочность сечений обделки.

Проверка прочности бетонных монолитных и сборных обделок из гладких прямоугольных слабоармированных блоков производится согласно СП

63.13330.2012 8 .

Для этого определяют величину предельной продольной силы Nn, которую может воспринимать данное сечение, и сравнивают ее с величиной продольной силы N, полученной при статическом расчете для этого же сечения. Расчетная сила Nне должна превышать Nn .

Проверка на прочность бетонной конструкции обделки должна проводиться для сечений, нормальных к оси обделки.

Поперечные сечения тоннельных обделок обычно подвергаются внецентренному сжатию и в зависимости от условий работы их рассчитывают с учетом либо без учета сопротивления бетона растянутой зоны 8 .

В общем случае внецентренно сжатые сечения бетонных обделок можно рассчитывать без учета сопротивления бетона растянутой зоны, исходя из предположения, что предельное состояние наступает в момент разрушения сжатой зоны бетона (рис. 5.1). Тогда предельная продольная сила для прямоугольного сечения бетонной обделки определится из условия

чения;

44

M и N-соответственно момент и продольная сила в рассматриваемом сечении;- коэффициент, учитывающий влияние прогиба монолитной обделки на

величину эксцентриситета продольной силы е0, определяется по; для обделок из монолитного бетона =1.

Если по условиям эксплуатации обделки не допускается образование трещин (например, при сооружении тоннелей в условиях большого притока воды), то расчет производят с учетом сопротивления бетона растянутой зоны

(рис. 5.2).

В этом случае для прямоугольного сечения обделки предельная продольная сила определится по формуле

(длительность нагрузки, условия бетонирования и др.) должны умножаться на коэффициенты условий работы бетона в согласно указаниям 8 .

Рис. 5.1. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси обделки при внецентренном сжатии, рассчитываемой без учета сопротивления бетона растянутой зоны

45

следующие изменения: повышение класса бетона; увеличение высоты сечения обделки, армирование растянутой зоны сечения, изменение очертания свода с приближением оси обделки к кривой давления.

При необходимости армирования конструкции подбор площади армирования следует выполнять в соответствии с указаниями 8, предварительно задаваясь коэффициентом армирования = 0,5 1,5 %.

5.4 Выбор рекомендуемого варианта обделки

Технико-экономическое сравнение вариантов обделки и выбор рекомендуемого выполняют совместно с руководителем проекта с учетом объемов основных работ на 1 м тоннеля и технологических особенностей по каждому из вариантов.

Ведомость объемов работ составляют по форме, приведенной в табл. 5.1

Таблица 5.1

Ведомость объема работ

Наименование Объемы работ на 1 м тоннеля по вариантам

Разработка породы, м3

Объем сборного железобетона, кг

Объем монолитного бетона, м3

Расход арматурной стали, кг

Расход чугуна, т

Перед сопоставлением вариантом обделки студенты должны сформулировать краткие соображения по способам постройки тоннеля с принятыми для эскизной проработки вариантами обделки.

Выбираемый в качество рекомендуемого вариант обделки должен характеризоваться минимальной материалоемкостью и позволять применять при сооружении тоннеля современные прогрессивные способы производства работ.

5.5 Конструирование и расчет обделки рекомендуемого варианта

При расчете рекомендуемого варианта тоннельной обделки можно использовать значения расчетных нагрузок, определенных при вариантном проектировании.

Внутренние усилия (изгибающие моменты и нормальные силы) вычисляют по уточненным методам. Так, обделки непрерывной жесткости – монолитные, из чугунных или из железобетонных тюбингов рассчитывают по методу Метропроекта [12; 18]. Обделки кругового поперечного сечения

47

рекомендуется рассчитывать по методу Метропроекта с использованием таблиц, приведенных в [18]. Обделки из блоков с центрированными стыками рассматриваются в расчете как система брусьев на упругом основании [9].

Врезультате выполнения первых двух этапов расчета строят эпюры изгибающих моментов и нормальных сил.

Всечениях обделки, где действуют максимальные положительные и отрицательные изгибающие моменты, выполняют проверки прочности. Кроме того, проверяют прочность тюбинговых болтов и цилиндрических стыков обделки

Обделку или ее элементы конструируют в соответствии с [5].

Для железобетонных элементов обделки помимо продольной рабочей подбирают поперечную и монтажную арматуру, распределительные сетки у стыков и т.п., составляют спецификацию арматуры на один конструктивный элемент и кольцо обделки в целом. Защитные слои бетона должны соответствовать положениям норм [5].

Марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости подбирают также в соответствии с [5] в зависимости от конструкции обделки, климатических условий строительства и горно-геологических условий.

Притоннельные сооружения (камеры, порталы) конструируют в соответствии с [5].

48

Библиографический список

1.ГОСТ 2.301-68 (СТ СЭВ 1181-78) и др. ЕСКД. Общие правила выполнения чертежей: Сборник – Введ. 01.01.82. Содерж.: ГОСТ 2.301-68

(СТ СЭВ 1181-78) – ГОСТ 2.317-69 (СТ СЭВ 1979-79).

2.Система проектной документации для строительства. Общие положения. ГОСТ Р 21.1001-2009 . – М., 2009.

3.Система проектной документации для строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации. ГОСТ Р 21.1101-2009. –

М., 2009.

4.ГОСТ 24451-80. Тоннели автодорожные. Габариты приближения строений и оборудования. -*Введ. 01.01.82.

5.ГОСТ 9238-2013. Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений. -*Принят 14.11.13.

6.Нормы проектирования. Тоннели железнодорожные и автодорожные СП 122.13330. 2012. – М., 2013.

7.Автомобильные дороги. СП 34.13330.2012. - М., 2012.

8.Бетонные и железобетонные конструкции. СП 63.13330.2012. – М.,

2012

9.Нормы проектирования. Стальные конструкции. СП 16.13330.2011. –

М., 2011.

10.Айвазов Ю.Н. Расчет обделок, обжатых в породу. – Киев : КАДИ,

1978. – 108 с.

11.Айвазов Ю.Н. Ускоренные методы расчета тоннельных обделок. – Киев : КАДИ, 1986.

12.Архангельский М.М., Джинчарадзе Д.И., Курисько А.С. Расчет тоннельных обделок. – М. : Трансжелдориздат, 1960. – 344 с.

13.Бабков В.Ф. , Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог.

:В 2-х т. – М. : Транспорт. 1979. – Т.1. – 367 С. – Т.2. – 407 с.

14.Волков В.П. Тоннели. – М. : Транспорт, 1970. – 408 с.

15.Волков В.П. и др. Тоннели и метрополитены. – М. : Транспорт.

1975. – 552 с.

16.Зурабов Т.Г., Бугаева О.Е. Гидротехнические тоннели ГЭС. – М. : Госэнергоиздат, 1962. – 720 с.

17.Компаниец С.А.; Поправко А.К., Богородецкий А.А. Проектирование тоннелей. – М. : Транспорт, 1973. – 320 с.

18.Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. –

М. : Стройиздат, 1985. – 439 с.

19.Маковский Л.В. Методические указания по проектированию и расчету вентиляции автодорожных тоннелей. – М. : МАДИ, 1981. – 40 с.

20.Пастушков Г.П. и др. Проектирование тоннелей, сооружаемых горным способом. – Минск : БНТУ, 2005. – 96 с.

21.Справочник строителя транспортных тоннелей / под ред. П.А. Часовитина. – М. : Транспорт, 1965. – 768 с.

49