6.2. Материалы конструкций станций.

Конструкция станции — это принципиальная схема, опре­деляющая форму, размеры и взаимное расположение отдель­ных элементов, а также материал, из которого эти элементы выполнены. При проектировании конструкции станции необхо­димо учитывать, что форма поперечного сечения в значительной степени зависит от выбранного материала, а размеры элементов и их взаимное расположение должны быть увяза­ны с производством проходческих и монтажных работ. В свою очередь, как материал конструкции, так и методы производства работ зависят от инженерно-геологических и гидрогеологических условий.

Материалы, предназначенные для конструкций станционного комплекса, должны быть долговечными прочными, огнестойкими, устойчивыми против химической и электрохимической агрессии, соответствовать требованиям водопроницаемости, обеспечивать возможность максимальной механизации работ при их применении.

Основными материалами, которые наиболее полно отвечают требованиям подземного строительства, является бетон, железобетон и чугун. Реже используется сталь, как правило, для внутренних несущих конструкций колонных станций или перемычек над проходами пилонных станций.

Выбор материала обделки подземного сооружения является одним из важнейших вопросов проектирования, поскольку вид материала в дальнейшем определяет особенности конструктивного решения подземного сооружения и отдельных его элементов, оказывает существенное влияние на организационно-технологическую схему производства работ.

С учётом знаний, которые студенты получили при изучении дисциплин «Строительные материалы» и «Строительные конструкции», отметим далее лишь область рационального применения того или иного материала и предъявляемые требования, обусловленные спецификой работы подземных конструкций.

При выборе материала для подземных конструкций следует, прежде всего, ориентироваться на преимущества бетона и железобетона. В каждом крупном городе, где предполагается строительство метрополитена, существуют заводы железобетонных конструкций, которые, как правило, до развития собственной материально-технической базы метростроя способны удовлетворить потребность в монолитном бетоне и железобетонных изделиях в объёмах, необходимых для развёртывания работ на первой очереди строительства метрополитена. Бетон как строительный материал является прочным, долговечным, огнестойким и изготовляется из местных относительно недорогих материалов (песок, щебень). Однако водопроницаемость бетона ограничивает область его применения в подземных конструкциях: при гидростатическом напоре подземных вод более 0,1 МПа бетонные и железобетонные конструкции без дополнительных мероприятий, обеспечивающих герметичность обделки, строительными нормами применять не рекомендуется.

Монолитный бетон и железобетон используют для устройства обделок сооружений станционных комплексов при горном способе работ в скальных грунтах различной степени трещиноватости при отсутствии гидростатического напора. В менее прочных грунтах из монолитного бетона и железобетона устраивают обделку вспомогательных выработок, а также участки сопряжений выработок различного назначения.

Конструкции из монолитного железобетона широко используются при строительстве станций метрополитена открытым способом.

Большинство же подземных сооружений метрополитена как закрытого, так и открытого способа работ проектируются из сборного железобетона, так как сборное строительство наиболее полно отвечаем требованиям индустриализации.

Бетон в конструкциях подземных сооружений метрополитена назначают в соответствии с требованиями нормативных документов и государственных стандартов, предъявляемыми к строительным материалам, с учётом их работы в подземных условиях.

В зависимости от вида конструкций, их назначения, и климатических условий в районе строительства, условий возведения и эксплуатации сооружений устанавливают показатели качества бетона. Основными показателями качества бетона являются:

- класс по прочности на осевое сжатие - В. Этот показатель указывают в проекте во всех случаях как основную характеристику. Классом бетона по прочности на осевое сжатие (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубиков с размером ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20 2 с учётом статистической изменчивости прочности (с обеспеченностью 0,95);

- класс по прочности на соевое растяжение - В_t. назначают в тех случаях, когда этот показатель имеет главенствующее значение и контролируется на производстве. Он характеризуется прочностью бетонных образцов на осевое растяжение (МПа), испытанных в соответствии со стандартом;

- марка по водонепроницаемости W. Назначают для конструкций, к которым предъявляются требования ограниченной проницаемости (обделки тоннелей, расположенных ниже уровня грунтовых вод). Этот показатель характеризуется предельным давлением воды (кг/см²), при котором ещё не наблюдается её просачивание через испытываемый в соответствии со стандартом образец;

- марка по морозостойкости – F. Назначают для конструкций, подвергающихся в увлажнённом состоянии действию попеременных замораживания и оттаивания (например, обделки на участках выхода на поверхность). Марка по морозостойкости характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает образец в насыщенном водой состоянии.

Оптимальные класс и марку бетона выбирают на основании технико-экономических соображений в зависимости от способа сооружения тоннеля, типа железобетонной или бетонной обделки, её напряжённо-деформированного состояния, способа изготовления, условий эксплуатации и т.д. При этом следует руководствоваться следующими рекомендациями.

Для элементов сборных железобетонных обделок при закрытом способе работ рекомендуется принимать класс бетона В30; при открытом – В25; для монолитных железобетонных обделок – В25; для бетонных монолитных обделок – В15. Допускается применение бетона промежуточных классов по прочности на сжатие (например, В22,5 или В27,5) при условии, что это приведёт к экономии цемента по сравнению с применением бетона соответственно классов В25 или В30 и не снизит другие технико-экономические показатели конструкции. Для сокращения расхода арматурной стали в сборных железобетонных элементах, работающих в основном на сжатие, и для уменьшения размеров их сечений целесообразно использовать бетон высоких классов В45 – В60.

Прочностные и деформативные характеристики бетонов различных классов приведены в таблице 6.1.

Марку бетона по водонепроницаемости для конструкций тоннельных обделок, расположенных выше уровня грунтовых, вод рекомендуется принимать не ниже W4, а возводимых в обводнённых грунтах без гидроизоляции устанавливают в зависимости от гидрогеологических условий в районе строительства, но принимают не ниже W6. Проектные марки бетона обделок по морозостойкости назначают в зависимости от условий их работы и климатических условий. Так, при отсутствии знакопеременной температуры в тоннеле, при средней температуре наружного воздуха самого холодного месяца 15⁰С и выше, марку бетона по морозостойкости принимают F100, а при температуре ниже 15⁰С – F150.

Для изготовления бетонных и железобетонных обделок действующими нормативами рекомендуется использовать тяжёлый бетон. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях допускается применять при техническо-экономическом обосновании по согласованию с заказчиком. Арматура в железобетонных конструкциях устанавливается для восприятия растягивающих усилий и усиления бетона сжатых зон. Арматура, устанавливаемая по данным расчёта, называется рабочей; устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям – монтажной. Монтажная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, монтажная арматура может воспринимать обычно не учитываемые расчётом усилия от усадки бетона, изменения температуры и т.д.

Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия – сварные и вязаные сетки и каркасы, которые размещаются в опалубке перед заполнением её бетоном. Нормативные и расчётные характеристики для основных видов стержневой арматуры приведены в таблице 6.2. Выбор арматурной стали производят в зависимости от типа конструкции, наличия предварительного натяжения, а также от условий эксплуатации сооружения. В качестве ненапрягаемой арматуры железобетонных конструкций преимущественно применяются горячекатаная арматурная сталь периодического профиля класса А400 и обыкновенная арматурная проволока диаметром 3–5 мм – В500. Для поперечной арматуры допускается принимать стержневую арматуру классов А300 и А240. Арматуру классов А400, А300 и А240 рекомендуется применять в виде сварных каркасов и сварных сеток; а также горячекатанную класса А500 – только для продольной рабочей арматуры вязаных каркасов и сеток.

Набрызгбетон представляет собой высокопрочный быстротвердеющий бетон, получаемый в результате нанесения сжатым воздухом смеси цемента, песка, щебня (гравия), воды и, как правило, добавок – ускорителей схватывания и твердения. В качестве вяжущего рекомендуется применять различные портландцементы свежего помола или специальные быстросхватывающие цементы. Рекомендуется применять набрызгбетон класса не ниже В25.

Таблица 6.1

Примечание: Модуль упругости бетона приведен Е•10^-3 МПа

Таблица 6.2

Нормативные и расчетные сопротивления, модули упругости стержневой и проволочной арматуры

Класс арматуры	Нормативное сопротивление Rsn,, МПа	Расчетное сопротивление, МПа
		растяжению		сжатию R-sc
		продольной Rs	поперечной (хомутов) Rsx
А 240	240	215	175	215
А 300	300	270	215	270
А 400 диаметром 6-40 мм	400	355	285	355
А 500 диаметром10-40 мм	500	435	300	435
В500 диаметром 3-12 мм	500	415	300	415

К достоинствам набрызгбетона как материала для устройства крепи подземных сооружений относят: отсутствие опалубки, непрерывность и высокую степень механизации процесса возведения крепи, проникновение в трещины грунтового массива и омоноличивание слоя грунта на контакте с крепью, меньшую трудоёмкость по сравнению с возведением монолитной бетонной обделки с применением опалубки.

Набрызгбетон является, как правило, составной частью комбинированных обделок тоннелей, сооружаемых горным способом с раскрытием выработки по частям, и используется в сочетании с анкерной и арочной крепью в широком диапазоне инженерно-геологических условий – в грунтах естественной влажности или слабо обводнённых.

Сталефибробетон (дисперсно–армированный бетон) представляет собой мелкозернистый бетон с включением хаотично расположенных армирующих элементов в виде отрезков тонкой стальной проволоки, пластинок, и т.п. Твердение бетона с введёнными в него фибрами происходит в естественных условиях, что приводит к качественному изменению его свойств в зонах, прилегающих к фибре. При разрушении цементного камня находящиеся в нём стальные волокна принимают усилия на себя. То же происходит и при появлении первых мелких трещин. По сравнению с обычным бетоном сталефибробетон обладает повышенной прочностью на изгиб (в 2–2,5раза) и на сжатие (на15-20%).

Оптимальные размеры фибры устанавливаются в зависимости от состава смеси, технологии её приготовления и укладки, требований прочности. В практике подземного строительства используются фибры диаметром от 0,01 до 0,9 мм длиной 20 – 65 мм. Поперечное сечение круглое, овальное, часто периодического профиля с прямой или искривленной продольной осью. Проволочки имеют насечку, шероховатую поверхность.

Содержание фибры в бетоне колеблется в широких пределах от 0,5 до 8 % от объёма, но, как правило, не превышает 30 кг на 1 м³ смеси.

Монолитная обделка из сталефибробетона создаётся методом набрызга бетонной смеси с фибрами на поверхность выработки. Сталефибробетон следует считать перспективным материалом для изготовления сборной блочной обделки.. Изготовление сборной обделки из сталефибробетона позволяет отказаться от стержневого армирования блоков.

Металл является одним из наиболее совершенных материалов для тоннельных конструкций, так как обладает высокой прочностью, долговечностью, огнестойкостью, хорошо поддаётся обработке, что позволяет получать изделия высокой точности. Лёгкие элементы металлических обделок упрощают выполнение транспортных операций и монтажных работ в стеснённых условиях подземного строительства. Однако для изготовления элементов тоннельных обделок металл применяется достаточно ограничено в силу того, что является дефицитным и дорогостоящим.

В слабых нескальных и глинистых грунтах в условиях значительного горного давления, в скаль­ных грунтах при гидростатическом давлении, превышающем 100 кПа {1 кгс/см²), а также при отсутствии выше свода или ниже лотка достаточной защитной толщи водоупорных грун­тов применяют конструкции из чугунных элементов (тюбин­гов). На отечественных метрополитенах используют тюбинги, которые изготавливают из серого чугуна марок СЧ 20. Серый чугун отличается высокой устойчивостью против коррозии, имеет большую прочность на сжатие.(200МПа). Однако серый чугун достаточно хрупок и плохо сопротивляется растягивающим напряжениям (60-70 МПа). Более высокими характеристиками и особенно сопротивлением растяжению, обладает высокопрочный чугун марок ВЧ 50–2, ВЧ 60–2 и ВЧ 70–3. . Расчётные сопротивления высокопрочного чугуна на растяжение в 2,5-3 раза выше, чем серого чугуна.

Таблица 6.3

Расчетные сопротивления и модули упругости чугуна

Марка чугуна	Расчетные сопротивления, МПа		Модуль упругости, Еч ,МПа
	сжатию Rs	растяжению Rt
СЧ 20	200	65	98 000
СЧ 35	280	115
СЧ 50	300	160

Литые чугунные плиты и листовую сталь используют в качестве гидроизоляции, закрепляя на внутренней поверхности железобетонных элементов сборной или монолитной обделки. Из листовой стали толщиной 60…120 мм создают сварные внутренние несущие конструкции колонных станций глубокого заложения при значительных нагрузках на обделку

Листовую сталь, обладающую достаточной прочностью и пластичностью, хорошей свариваемостью, используют в многослойных комбинированных обделках. Из листовой и прокатной стали изготавливают пустотелые блоки-коробки. Скрепляя эти блоки друг с другом, собирают обделку тоннеля, а затем заполняют полость блоков пластичной бетонной смесью.