Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Определение расчётных нагрузок на конструкции подземных сооружений. Методические указания
.pdf
2.4. Расчётные нагрузки на обделки подземных
сооружений метрополитена, железнодорожных
и автодорожных тоннелей
Нормативное горное давление на конструкции обделок подземных сооружений метрополитена и транспортных тоннелей зависит от
способа строительства, физико-механических свойств и стратиграфии, вмещающих тоннель грунтов, трещинной пустотности и густоты трещин грунтового массива, обводненности грунтов, глубины заложения и размеров тоннеля.
Городские коллекторные тоннели в расчётном отношении с
2013 г. в связи с принятием новых нормативных документов [14, 15]
рассматриваются как тоннели метрополитенов. Ранее они рассматривались как гидротехнические тоннели.
Вертикальные и горизонтальные нагрузки от горного давления
или от других постоянных нагрузок, действующих в пределах всего
пролета или всей высоты подземного сооружения, допускается принимать как равномерно распределенные.
При строительстве тоннелей и станций открытым способом
нормативную вертикальную нагрузку от насыпного грунта принимать в соответствии с давлением всей его толщи над сооружением с
учетом веса наземных зданий и других сооружений, строительство
которых предусмотрено над данным подземным сооружением или в
пределах призмы обрушения грунта.
В неустойчивых грунтах, в которых сводообразование невозможно (водонасыщенные несвязные и слабые глинистые грунты),
нагрузки принимать с учетом давления всей толщи грунтов над тоннельным сооружением. Нормативные вертикальная и горизонтальная
нагрузки от горного давления определяются по формулам:
n
н
qH
=γ
∑
i
=
1
;
(2.28а)
ii
нн2
pq
=⋅ °−
⎛⎞
tg 45
⎜⎟
⎝⎠
с заменой для сооружений метрополитена кажущегося угла внутреннего трения φ
к
на нормативный φ, принимаемый по прил. 1 и 2 на-
к
ϕ
(2.28б)
2
стоящих методических указаний;
31
γi – удельный вес грунтов соответствующих слоев напластова-
L
ний, кН/м
Н
– толщина слоев напластований над выработкой, м;
i
3
;
n – число слоев напластований.
Такие же нагрузки принимаются и при наличии сводообразования, если расстояние от вершины свода обрушения до земной поверхности или до контакта с неустойчивыми грунтами меньше высоты свода обрушения.
Нагрузку от веса зданий, расположенных над тоннельным сооружением, следует принимать в зависимости от их этажности: 10 кПа на
один этаж (15 кПа для транспортных тоннелей). При расположении
зданий и других наземных сооружений в пределах призмы обрушения
грунта необходимо учитывать соответствующее увеличение горизонтальной нагрузки по методике, изложенной в СП 91.13330.2012, для
определения горизонтальных нагрузок на устья вертикальных стволов.
В условиях сводообразования при строительстве подземных
сооружений метрополитена и транспортных тоннелей в однородной толще грунта вертикальная нормативная нагрузка от горного
давления определяется по формуле
q
н
= γhc, (2.29)
а горизонтальная нормативная нагрузка по зависимости
н2
(0,5)tg45 .
ph h
=γ + ⋅ °−
c
Величину пролета L, м, и высоту h
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
свода обрушения над верхней
c
к
ϕ
2
(2.30)
точкой выработки следует определять по формулам:
,
°−
к
ϕ
(2.31а)
2
(2.31б)
L = b + 2h· tg
⎛⎞
45 ;
⎜⎟
⎝⎠
h
к
– значение кажущегося угла внутреннего трения грунтового
где φ
=
c
2
f
массива в пределах сечения тоннельной обделки, град, принимается по опытным данным или по прил. 3;
b и h – ширина и высота тоннеля, м.
Схема образования свода обрушения приведена на рис. 2.9.
32
Рис. 2.9. Расчётная схема к определению параметров
сводообразования
Для подземных сооружений метрополитена высота и пролет свода
обрушения определяются с заменой φ
к
на φ и коэффициента крепости породы f на аналогичный коэффициент f, характеризующий устойчивость грунта в выработке и определяемый по табл. 2.12 в зависимости от вида грунта в сечении и кровле выработки.
Таблица 2.12
Вид грунта в сечении и кровле выработки Коэффициент f
Глины твердые литифицированные (сланцеватые, аргиллитоподобные, мергелистые и т.п.) 1,0
Глины твердой консистенции переуплотненные типа
верхнекаменноугольных или протерозойских 0,9
Крупнообломочные грунты с супесчано-песчаным
заполнителем плотные, глины и суглинки твердой консистенции
Пески плотные маловлажные или супесчаносуглинистые грунты 0,7
Глины и суглинки полутвердой консистенции 0,6
0,8
Если тоннель сооружается в глинистых грунтах на глубине более
45 м, то высоту свода обрушения h
необходимо умножить на повы-
с
шающий коэффициент K = Н'/45, где Н' – глубина заложения тоннеля
от поверхности земли до низа тоннельной обделки, м.
33
При заложении тоннелей в глинистых грунтах, прочность кото-
)
рых уменьшается под влиянием поступающих подземных вод, высоту свода обрушения h
можно увеличивать до 30 %.
с
При наличии над тоннельным сооружением в пределах свода
обрушения контакта с менее прочным грунтом (z < h
рис. 2.10)
c,
вертикальную нормативную нагрузку от горного давления следует
определять по параметрам менее прочного грунта, а при наличии слабых грунтов, не обладающих способностью к сводообразованию, – от
веса всей вышележащей толщи грунтов.
c2
h
c1
z
h
h
Рис. 2.10. Схема к расчёту свода обрушения при z < hс1:
h
– высота свода для более прочного грунта;
c1
– высота свода для менее прочного грунта
h
c2
В случае если контакт с более слабым грунтом находится в
границах от одной до трех высот свода обрушения (рис. 2.11), зна-
чение нормативной вертикальной нагрузки определяется по формуле:
нн
aq q
−
(
34
нн
qq
=−
1
12
2
h
c1
, (2.32)
н
где
q – нормативная вертикальная нагрузка, полученная от свода
1
обрушения по параметрам менее прочного грунта, или нагрузка
от веса всей толщи грунтов над тоннельным сооружением (при
наличии в пределах от одной до трех высот свода обрушения слабых грунтов, не обладающих способностью к вывалообразованию), кПа;
н
– мнормативная вертикальная нагрузка от грунта, вмещающе-
q
2
го тоннель, кПа;
а – расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее
прочным грунтом или со слабым грунтом, не обладающим способностью к вывалообразованию, м;
h
– высота свода обрушения грунта, вмещающего тоннель, м.
c1
Рис. 2.11. Схема к расчёту свода обрушения при hc1 < а < 3hc1:
а – расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее
прочным грунтом
35
Горное давление на обделки параллельных близко расположенных
(
γ
L
тоннелей при возможности сводообразования следует определять в зависимости от размеров каждой выработки и целика между ними, физико-математических свойств грунта и технологии производства работ:
– при условии возможности образования над каждой выработкой
самостоятельного свода обрушения – для каждой выработки в отдельности;
– в остальных случаях – как для выработки, пролет которой равен
сумме пролетов обеих выработок и ширины целика между ними.
Нормативную нагрузку на обделку тоннеля в водонасыщенных
несвязных грунтах, содержащих свободную воду, следует прини-
мать в виде совместного действия гидростатического давления воды и
давления грунта во взвешенном состоянии. При этом удельный вес
взвешенного в воде грунта γ
– удельный вес части грунта, кН/м3, определяемый по данным
где γ
s
кН/м3, определяется по формуле
взв,
−Δ
)
γ=
взв
1se
, (2.33)
+
инженерных изысканий, а в случае их отсутствия ориентировочно
можно принимать: песок – γ
суглинок – γ
Δ = 10 кН/м
= 27,1 кН/м3; глина – γs = 27,4 кН/м3;
s
3
– удельный вес воды;
= 26,6 кН/м3; супесь – γs = 27,0 кН/м3;
s
е – коэффициент пористости грунта, определяемый опытным путем.
Гидростатическое давление следует принимать с учетом наивысшего уровня, который может установиться после окончания строительства.
Нормативную горизонтальную нагрузку на обделки кругового
очертания в глинистых грунтах, а также грунтах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, принимать не более
0,75 величины нормативной вертикальной нагрузки, определяемой в
соответствии с весом вышележащей толщи грунтов.
При строительстве подземных сооружений метрополитена в
скальных грунтах высота свода обрушения определяется по формулам:
– если грунты оказывают вертикальное и горизонтальное горное
давление
36
hR=
c
0, 2
; (2.34)
α
– если грунты оказывают только вертикальное давление
b
hR=
c
, (2.35)
α
0, 2
где R – предел прочности образца грунта на одноосное сжатие, МПа;
α – коэффициент, учитывающий влияние трещиноватости массива, принимаемый по табл. 2.13 исходя из предела прочности на
одноосное сжатие образца грунта и категории массива по степени трещиноватости, которая определяется в зависимости от трещинной пустотности и густоты трещин (среднего расстояния
между трещинами наиболее развитой их системы) по табл. 2.14.
Таблица 2.13
Категория массива скальных
грунтов по степени трещино-
ватости
I – практически нетрещиноватые
II – малотрещиноватые 1,4 1,2 1,0 0,9 0,8
III – среднетрещиноватые 1,2 0,9 0,7 0,6 0,5
IV – сильнотрещиноватые 0,9 0,7 0,5 0,4 0,3
V – раздробленные (разборная скала)
Трещинная
пустотность, %
Малая – менее 0,3 I II III IV
Средняя – 0,3–1,0 II III IV V
Большая – 1,0–3,0 III IV V V
Очень большая – более 3,0 IV V V V
Примечания: 1. При определении трещинной пустотности рыхлый или глинопо-
добный материал заполнения трещин не учитывается.
2. При большой и очень большой трещинной пустотности и одновременно хорошо выраженной расчлененности массива на блоки по степени трещиноватости его
относить к V категории (раздробленным) вне зависимости от густоты трещин.
3. В условиях ожидаемого полного нарушения сплошности скальных грунтов в
результате интенсивного их расслоения (кливаж) грунты относить к V категории.
4. При наличии поверхностей скольжения категорию грунта по степени трещиноватости повышать на одну ступень.
5. При трещинах, залеченных частично твердым (кристаллическим) материалом,
категорию грунта по степени трещиноватости понижать на одну ступень, а при полностью залеченных трещинах – принимать по I категории.
Коэффициент α при пределе прочности грунта
«в куске» на сжатие, МПа
10 20 40 80 160
1,7 1,4 1,2 1,1 1,0
0,7 0,4 0,3 0,2 0,1
Таблица 2.14
Категория грунтов при густоте трещин, м
очень редкой
(более 1,0)
редкой
(1,0–0,3)
густой
(0,3–0,1)
очень густой
(менее 0,1)
37
Наличие горизонтального давления скального грунта устанавливается по опыту строительства в аналогичных условиях. При отсутствии аналогов расчёт обделки выполняется в двух вариантах: при
наличии горизонтального давления и без него.
Полученная высота свода обрушения скальных грунтов корректируется умножением её на коэффициенты, учитывающие влияние следующих факторов:
– приток воды в выработку, когда трещины заполнены рыхлым
или размокаемым глиноподобным материалом, – 1,2;
– расположение трещин наиболее развитой их системы под углом
к оси тоннеля менее 45° – 1,1;
– строительство выработок механизированным способом без применения буровзрывных работ – 0,8.
Если высота свода обрушения скального грунта составляет
менее 1/6 пролета подземного сооружения, то расчёт обделок сле-
дует производить на воздействие вывалов. При этом вертикальную
нагрузку интенсивностью, полученной из условия сводообразования,
необходимо распределять по площади, соответствующей 1/4 пролета
выработки в наиболее невыгодном для работы обделки положении.
Коэффициенты надежности по постоянным нагрузкам при расчётах конструкций обделок по первой группе предельных состояний
принимаются по прил. 4.
В расчётах обделок на всплытие коэффициент устойчивости принимается не менее 1,2.
2.5. Расчётные нагрузки на обделки
гидротехнических тоннелей
Нормативное горное давление на обделки гидротехнических тоннелей определяется в зависимости от свойств вмещающих тоннель
грунтов, их крепости и трещиноватости, размеров тоннеля и глубины
его заложения, а также способа проходки тоннеля. Нормами рассматриваются четыре возможных случая проявления горного давления – от веса вышележащей толщи пород, от веса пород в своде обрушения или объема нарушенной зоны (вывалов), от ожидаемых
смещений грунта.
Нормативное вертикальное горное давление в грунтах с коэффициентом крепости f < 4 при расстоянии от кровли тоннеля до земной
поверхности больше удвоенной высоты свода обрушения следует
38
принимать равным весу грунтов в объёме, ограниченном сводом обрушения. При меньшем заглублении тоннеля вертикальное горное
давление принимается равным весу всей толщи грунта над ним и определяется по выражению
n
н
qH
=γ
∑
i
1
=
;
ii
pq
нн2
=⋅ °−
⎛⎞
tg 45 .
⎜⎟
⎝⎠
к
ϕ
2
(2.36)
В любом случае при неглубоком заложении гидротехнического
тоннеля первоначально необходимо определять высоту свода обрушения и сравнивать ее удвоенное значение с расстоянием до земной
поверхности.
Нормативное вертикальное горное давление при сводообразовании в грунтах с f < 4 определяется по формуле
н
q
= βγhc, (2.37)
где β – коэффициент, принимаемый в зависимости от пролета выра-
ботки В: β = 0,7 при В ≤ 5,5 м; β = 1,0 при В ≥ 7,5 м; по интерполяции между 0,7 и 1,0 при 5,5 < В < 7,5;
– высота свода обрушения, определяемая по формуле (2.31),
h
c
как и для тоннелей метрополитена. При отсутствии данных инженерных изысканий нормы рекомендуют определять величину кажущегося угла внутреннего трения как φ
циент крепости грунта по шкале проф. М.М. Протодьяконова).
Значение φ
к
в данном случае получается несколько завышенным.
к
= arctg f (где f – коэффи-
Распределение вертикального горного давления принимается равномерно распределенным по пролету тоннеля.
Нормативное горизонтальное горное давление определяется по
формуле
н2
(0,5)tg45 .
ph h
=γ + ⋅ °−
c
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
к
ϕ
2
(2.38)
В случае заглубления кровли тоннеля менее удвоенной высоты
свода обрушения нормативное горизонтальное горное давление также определяется по этой формуле с заменой численного значения h
на расстояние от кровли до земной поверхности Н, м.
Распределение горизонтального горного давления должно быть
равномерным по высоте обделки тоннеля.
39
c
Нормативное вертикальное горное давление в грунтах с f ≥ 4
следует принимать равным весу грунтов в объеме нарушенной зоны,
устанавливаемой по данным натурных исследований, а при их отсутствии – по формуле q
рушенной зоны, м; k
н
= βγhc с заменой hc на h
– коэффициент, принимаемый по табл. 2.15
α
= kαb – глубина на-
c1
в зависимости от трещиноватости и коэффициента крепости грунта.
Таблица 2.15
Коэффициент
крепости
грунта f
4
От 5 до 8
10 и более
слаботрещиноватых среднетрещиноватых сильнотрещиноватых
0,2
0,1
0,05
Коэффициент kα при грунтах
0,25
0,2
0,1
0,3
0,25
0,15
Распределение вертикального горного давления по пролету обделки в этом случае принимается с учетом напластования, систем
трещин и других особенностей грунтового массива.
При механизированном проведении тоннеля без применения буровзрывных работ значение k
допускается уменьшать на 30 %.
α
В слаботрещиноватых грунтах при глубине нарушенной зоны более 1,5 м нормативное вертикальное горное давление следует
уменьшать на 20 %.
Нормативное горизонтальное горное давление в сильнотрещиноватых грунтах с f ≥ 4 допускается учитывать по формуле
н
P
= 0,1γh.
Нормативное горизонтальное горное давление в слабо- и среднетрещиноватых грунтах с f ≥ 4 при высоте тоннеля менее 6 м допускается не учитывать, а при высоте более 6 м – определять из условия
предельного равновесия отдельных скальных блоков, отсеченных
трещинами. В случае отсутствия необходимых сведений о блочности
массива необходимо рассматривать два варианта: принимать горизонтальное горное давление равным нулю или определять его по вышеприведенной формуле. Расчёт обделки выполнять для двух вариантов.
В тоннелях глубокого заложения (свыше 500 м), расположенных в глинистых и других слабых грунтах с f < 4, оказывающих
значительное равномерное давление на обделку тоннеля, вертикальную и горизонтальную нормативные нагрузки от горного давления
следует определять с учетом ожидаемых смещений породного контура выработки в соответствии с требованиями СП 91.13330.2012.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]