6.3. Конструкции станций, сооружаемых закрытым способом

Станции пилонного типа применяют в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях (при большом горном давлении в слабых неустой­чивых грунтах, в полускальных и скальных сильнотрещиноватых грунтах при значительном по дебиту и напору водопритоке, а также при недостаточной толще водонепроницаемых грунтов над станцией). Такие станции целесообразны также в случаях, когда по условиям проектирования необходимо обеспечить размеры междупутья более 20 м (например, для устройства оборотного съезда за станцией).

Вопросы проектирования конструкции станции пилонного типа достаточно полно освещены в учебнике [1, с. 184-203]. Порядок их решения сводится к следующим действиям (Рис.6.1).

1. Определяется минимально допустимые внутренние размеры поперечного сечения путевых тоннелей в соот­ветствии с расчетной шириной платформы b _п/в, необходимой только на посадку и высадку пассажиров (формула (4.3), и габаритом приближения строений С_мс. При этом следует предусмотреть зазоры Δ₁ на возможное отклонение реального контура обделки от проектного и для устройства водозащитного зонта, а также учесть зазоры для путевых стен Δ₂ и зазоры на размещение конструкции облицовки пилона Δ₃. Если в соответствии с инженерно-геологическими условиями принято круговое сечение тоннеля, то определяется внутренний диаметр тоннеля и фиксируются координаты центра окружности. При сечении тоннеля в виде подъемистого свода его замыкают на лотковую плиту или обратный свод. Плавное очертание подъемистого свода осуществляется построением трехцентровой коробовой кривой.

2. Размеры сечения среднего тоннеля назначают в соответствии с пассажирооборотом на станции и норм пропускной способности горизонтального пути при движении пассажиров в обоих направлениях. Поэтому пролет среднего тоннеля станции может быть больше, равен или меньше пролета путевых тоннелей. Форму и размеры сечения среднего тоннеля при сборной обделке целесообразно принять одинаковой с путевыми тоннелями. Это позволит сократить номенклатуру и снизить количество типоразмеров элементов в конструкции станции.

3. На следующем этапе проектирования необходимо установить расстояние между осями станционных тоннелей ℓ_т, или, другими словами, определить ширину пилона b_п. Это расстояние следует принять таким, чтобы между обделками тоннелей сохранился целик минимальной толщины, при котором во время проходки очередного тоннеля обеспечивалась устойчивость забоя со стороны ранее пройденного. В зависимости от характеристики грунтов и способа проходки размер целиков принимают от 0,8 до 3 метров. В силу тех или иных эксплуатационных особенностей станции может быть заранее обусловлено расстояние между осями станционных путей — междупутье М_ст (например, при устройстве съезда за станцией в двухпутный тупик). В таком случае ширина пилона будет однозначно определена поставленными условиями.

\

Рис.6.1. Схема к определению геометрических параметров по­перечного сечения платформен­ного участка станции пилонного типа.

4. После того, как будут установлены основные размеры поперечного сечения пилонной станции, необходимо определить параметры, характеризующие проемную часть станции — ширину прохода ℓ_пр и его высоту h_пр, а также расстояние между проходами или ширину пилона по длине станции ℓ_п и количество проходов. Для удобства пассажиров и благоприятного эстетического восприятия интерьера пилонной станции следует стремиться запроектировать проходы возможно большей ширины. Однако, ширина прохода будет ограничена несущей способностью конструкции, перекрывающей проем, которую называют перемычкой проема. При сборной обделке кругового очертания пролет прохода должен быть кратен ширине кольца обделки. Высота h_пр по оси прохода должна быть не менее 2,5 м. Расстояние между проходами по длине станции определяется длиной распределительного зала и количеством проходов, которое устанавливают по расчетному значению пассажирооборота на станции. Обычно при длине платформ, равной 120 м, устраивается не менее пяти проходов на каждую платформу, а при длине платформ 160 м — не менее восьми проходов.

Уяснив основные принципы, определяющие конструктивную схему пилонной станции, далее рассмотрим, каким образом эти принципы осуществляются на практике в зависимости от инженерно-геологических условий строительства.

В зависимости от конкретных условий заложения станции ее принципиальная конструктивная схема (три тоннеля, рас­положенные на одном уровне и соединенные проходами) реализуется с помощью соответствующих решений, примеры которых приведены на рис.6.2.

В обводненных полускальных и скальных сильнотрещиноватых грунтах f = 2-3, где ожидается значительный напор грунтовых вод (равный или более 0,1 МПа) обделка станционных тоннелей выполняется из чу­гунных элементов (рис.6.2, а). В проемной части станции разомкнутые в кольца обделки опираются на рамы, образованные клинчатыми перемычками (1) и усиленными тюбингами (2) в составе колец боковых и среднего тоннелей. Для того, чтобы включить в работу основания рам проемов большее число колец, все тюбинги этого ряда смещены вдоль оси станции на половину ширины кольца обделки. Лотковые тю­бинги и смежные с ним тюбинги боковых тоннелей целе­сообразно заменить железобетонными блоками (при обеспе­чении их водонепроницаемости).В случае значительного пассажирооборота на станции проемные рамы следует установить вплотную друг к другу без промежуточных колец. В этом случае толщина пилона b_п будет минимальной, равной удвоенной ширине рамы проема. Это позволит в меньшей степени стеснять передвижение пассажиров между посадочными платформами и средним залом станции.

В слабых водонасыщенных грунтах и при незначительной толщине кровли коренных грунтов в условиях большого горного и гидростатического давления для восприятия нагрузки от разомкнутых колец в проемах следует предусмотреть наряду с верх­ними и нижние клинчатые перемычки, замкнув раму проема,и увеличить размер пи­лона вдоль станции, располагая проходы с большим расстоянием друг от друга, например, через 3-4 промежуточных замкнутых кольца.

В том случае, когда инженерно-геологические условия позволяют отказаться от круговой формы сечения станционных тоннелей (в обводненных скальных грунтах с коэффициентом крепости f = 3-4 ), можно значительно сократить расход чугуна и уменьшить объем выработки за счет устройства плоского лотка. Пример пилонной станции с плоским железобетонным основанием и комбинированной обделкой показан на рис.6.2.б.

Своды среднего и путевых тоннелей станции выполнены из полуколец из чугунных тюбинговых обделок. На проемном участке станции полукольца обделки включают проемные рамы с верхними клинчатыми перемычками и усиленными тюбингами аналогично рассмотренному выше случаю. Но опорами для рам проемов и для сводов путевых тоннелей и среднего зала станции служат массивные ленточные фундаменты из монолитного бетона, выполненные в предварительно пройденных штольнях (1 и 2).

В слабых водонепроницаемых грунтах обделка тоннелей пилонной станции выполняется полностью из железобетон­ных элементов (рис. 6.2в). Разомкнутые кольца в проемах через специальные опорные тюбинги опираются на пилонные блоки (2) через балки - перемычки (1), расположенные в верхней и нижней части проема на всем протяжении проемной части станции.

Альтернативным решением станции пилонного типа из сборного железобетона, является конструктивная схема, приведенная на рис 6.2.г. Отличие состоит в том, что в процессе проходки проемных участков кольца путевых тоннелей со стороны оси станции, а кольца среднего тоннеля с двух сторон, замыкаются на плоские короткие элементы.Количество таких колец на одном проеме вдоль станции должно перекрывать ширину прохода (b_пр) на два кольца. Следующий проем устраивается на расстоянии (b_гл), исключающим негативное влияние смежных проходов на статическую работу конструкции.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 6.2. Конструктивные схемы станций пилонного типа.

В образовавшиеся над и под будущими проходами ниши монтируются балки - перемычки (1) и между ними устраиваются мощные опоры из монолитного железобетона (2). Эти опоры, жестко связанные арматурными каркасами с железобетонными тюбингами обделки, образуют конструкцию рамы проема высокой несущей способности.

Пример конструктивного решения такой станции показан на (рис.6.3). Конструкция впервые реализована на строительстве станции Петербургского метрополитена в протерозойских глинах при нагрузках, достигающих 120Тс/м². Для обеспечения необходимой несущей способности при заданной ширине прохода и верхние и нижние балки-перемычки выполнены коробчатого сечения из стали и после установки в проектное положение заполняются раствором. При меньших нагрузках балки-перемычки могут быть устроены из сборного железобетона. Конструкция выгодно отличается от выше приведенной (см рис.6.2в ), так как на всем протяжении платформенного участка станции обделка тоннелей монтируются из однотипных тюбингов. Из обделки исключаются дорогостоящие опорные и пилонные блоки, снижается трудоемкость монтажа, а следовательно повышаются темпы проходки.

Рис.6.3. Конструкция пилонной станции с обделкой из сборного железобетона и проемными рамами из монолитного железобетона с металлическими перемычками.

В относительно устойчивых полускальных грунтах (f=3-4) при незначительной толщине кровли коренных грунтов рекомендуется рассмотреть вариант станции пилонного типа с обделкой из монолитного железобетона (рис. 6.2д). Отличительной особенностью пилонных станций с обделкой из монолитного железобетона (вместо дорогостоящей сборной обделки и эректорной проходки при раскрытии выработки по частям) является возможность механизированной разработки грунта. Внедрение технологии сооружения станционных конструкций с применением опережающей крепи кровли и лба забоя и обделки из монолитного бетона позволяет расширить область применения такой конструкции до слабых грунтов (f=1,5-2).

При сооружении станции неизбежен большой объем работ, связанных с устройством первичной обделки из набрызгбетона, которая выполняет двойную функцию: временной крепи (для обеспечения устойчивости выработок при захватке бетонирования до 4х метров) и первичного слоя постоянной обделки.

Рис.6.4.Конструкция станции пилонного типа с обделкой из монолитного

железобетона.

Особенность представленной на рисунке 6.4 пилонной станции из монолитного железобетона состоит в отличии от традиционной схемы, которая определяет последовательность проходки станционных тоннелей и устройства проходов между ними. Вначале проходят два «пилонных» тоннеля, в которых бетонируются бетонные стены с проходами. Эти бетонные стены пилоны служат опорами при сооружении сводов боковых и среднего тоннелей станции. Таким образом, исключается трудоемкий процесс устройства проходов между станционными тоннелями.

Если по первичной набрызгбетонной обделке предусмотреть устройство пленочной гидроизоляции, то станцию из монолитного железобетона можно сооружать и в обводненных грунтах.

Станции колонного типа применяют в широком диапазоне относительно благоприятных инженерно-геологических усло­вий: от глин различной плотности до малопрочных н средней прочности скальных грунтов различной степени трещиноватости. Конструктивная схема таких станций определяется, в первую очередь, выбором материала, соответствующего заданным условиям проектирования и способом сопряжения сводов тоннелей с внутренними несущими конструкциями (жесткое соединение элементов в узле сопряжения или шарнирное).

В основе конструирования станций колонного типа лежит решение вопроса о диаметре путевых тоннелей (или пролете свода при подковообразном сечении) и о пролете свода среднего зала. Этот вопрос решается исходя из расчетной ширины платформы и габарита приближения строений С_мс (см. рис. 4.1). Кроме того, необходимо, чтобы расположенные внутри путевых тоннелей опорные элементы разомкнутых колец обеспечили допустимое расстояние колонн до края плат­формы d, достаточную высоту проходов h [см.п. 4.1] и оптимальное (с точки зрения статической работы конструкции) распределение усилий в узлах сопряжений сводов тоннелей с колоннами. Все эти вопросы решают в такой последовательности (рис.6.5)..

1. После определения общей ширины островной платформы В_к по формуле (4.5), с обеих сторон в соответствии с требованиями габарита С_мс располагаем оси путей на расстоянии от края платформы 1450мм _, и проводим линии приближения колонн 1-1 на расстоянии 1700мм от края платформы . Определяем минимальные размеры сечения путевого тоннеля: внутренний диаметр D_вн при круговом очертании (рис.6.6а) или пролет L_пт при сводчатом очертании (рис.6.5б).

Рис.6.5. Схема к определению геометрических параметров поперечного сечения станции колонного типа.

Эти параметры следует принять такими, чтобы была возможность разместить в сечении тоннеля внутренние несущие конструкции, обеспечивающие проход достаточной высоты, и соответствующие зазоры для размещения зонтов и устройства путевых стен. При этом эти опорные конструкции с одной стороны не должны выходить за пределы плоскости приближения колонн (линия 1-1), положение которой зафиксировано габаритом приближения строений С_мс , а с другой - за пределы линии II-II, т.к в противном случае высота прохода под конструкциями, перекрывающими пролет между колоннами, будет меньше допустимой (по оси прохода h_min ≥ 2,5 м). Таким образом, месторасположения колонн возможно только в пределах заштрихованной области между линиями 1-1 и II-II.

2. Разместив ориентировочно колонны в соответствии с приведенными выше требованиями, фиксируем пролет и устанавливаем подъемистость свода среднего зала, т.е. стрелу подъема f при заданном пролете L. При этом следует стремиться к такому соотношению , при котором в опорном узле «А» распор свода среднего зала станции H_сз будет уравновешен распором со стороны свода путевого тоннеля H_пт. Если это удается, то целесообразно от жесткого соединения элементов в опорном узле перейти к шарнирному. (В дипломном проекте требуется провести расчетный анализ для выбора рационального очертания свода среднего зала, меняя значение стрелы подъема).

3. В зависи­мости от нагрузок и несущей способности элементов внутренних несущих конструкций назначается шаг колонн вдоль оси станции l_к, величину которого в сборных конструкциях принимают кратным ширине кольца обделки. Окончательно шаг колонн корректируется по результатам расчета.

Вопросы проектирования станций колонного типа с различными конструктивными решениями освещены в учебнике [1, с. 203-217].

В обводненных грунтах при значительном горном давле­нии конструкция станции выполняется из чугунных тюбинго­вых колец и состоит; из трех тоннелей одного диаметра с прое­мами (Рис.6.6а). Оси тоннелей расположены в одной пло­скости параллельно друг другу и сближены таким образом, чтобы верхние 1 и нижние 2 перемычки проемов соседних ко­лец опирались па стальные колонны 3.

В том случае, когда интенсивность горного давления сравнительно невелика, размер среднего зала станции может быть увеличен (рис.6.6б), может быть увеличен и шаг ко­лонн вдоль станции.

Можно также исключить нижние пере­мычки, заменив фасонные тюбинги на обычные 1, которые смещены вдоль тоннеля на половину ширины кольца. Лотко­вые элементы, где изгибающие моменты значительно ниже, чем в своде тоннелей, можно выполнить из железобетонных блоков 2. обеспечив их водонепроницаемость. При нагрузках на станцию до 70 Тс/м² стальные колонны могут быть заменены на железобетон­ные с соответс твующим оформлением опорной площадки сопряжения колонны с основанием клинчатой перемычки.

В водонепроницаемых глинистых грунтах при гарантии равномерного распределения нагрузки по сечению конструкции станции колон­ного типа следует выполнять с шарнирным опиранием сводов на внутренние несущие конструкции. Отсутствие моментов в узлах сопряжения и центрированная передача усилий на колонны позволяет выполнить обделку станционных тоннелей из сборного железобетона. Например, в су­хих плотных глинах даже при значительных нагрузках на конст­рукцию, станция колонного типа состоит из двух путевых тоннелей с обделками из железобетонных тюбингов и сред­него зала, верхний и обратный свод которого также выполнен из железобетон­ных элементов (рис. 6.6в).

в)

г)

Рис. Рис.6.6. Конструктивные схемы станций колонного типа

При проходке боковых тоннелей в состав обделки, со стороны оси станции, входят верхние чугунные опорные элементы 1 и фундаментные блоки 5 из сборного железобетона. Внутри боковых тоннелей монтируется аркада из ригелей 2 и колонн 3, которые опираются на прогон из монолитного или сборного железобетона 4. Переда­ча усилий на колонны осуществляется через металлические цилиндрические шарниры, расположенные на верхних площадках колонн и в основании прогонов. При значительных нагрузках на конструкцию колонны и ригели выполняют сварными коробчатого сечения из стали, и после установки в проектное положение заполняют полости цементно-песчаным раствором.

В скальных и полускальных грунтах (крепостью f = 2 ÷ 4) при небольшой ширине платформы (до 12м), выработки путевых тоннелей и среднего зала имеют сравнительно небольшой пролет. Закрепленные временной крепью (например набрызгбетоном и анкерами) выработки обеспечивают устойчивость до возведения постоянной крепи. В таких условиях целесообразно обделку колонной станции выполнить из монолитного бетона и железобетона (рис.6.6г). В местах, где сопрягаются пяты бетонных сводов путевых тоннелей и среднего зала станции, образуются продольные прогоны 1. Опорами прогонам служат сборные железобетонные колонны 2, установленные в подколонники 3 на ленточные железобетонные (в случае слабого основания) или бетонные фундаменты 4.

Односводчатые станции применимы практически в тех же условиях, что и колонные, но являются более экономичными и индустриальными конструкциями, позволяющими исклю­чить применение дефицитного металла, пол­ностью механизировать разработку грунта в забое и осущест­вить транзитную щитовую проходку перегонных тоннелей на линии. Такая конструкция станции позволяет разместить под единым сводом все сооружения станционного комплекса, а на конечных станциях и камеры съездов.

Очевидно, что осуществить на практике эту идею возможно тем успешнее, чем прочнее грунты и чем меньше пролет выработки. Поэтому вариант односводчатой станции целесообразно рассматривать в случае, если ширина платформы станции не превосходит 12 метров.

Минимальные размеры поперечного сечения односводчатой станции определяются исходя из габарита приближения строений С_мс и расчетной ширины платформы В_о, определенной по формуле (4.4) с учетом зазоров на устройство водозащитного зонта ₁ и путевых стен ₂. (рис. 6.7).

Рис.6.7. Схемы к построению внутреннего очертания односводчатой станции с островной платформой в скальных (а) и нескальных (б) грунтах.

Основное требование к конфигурации сечения – плавное очертание и подъемистая форма при преобладании вертикальной нагрузки. Чем ниже прочностные и деформационные характеристики грунтов, тем подъемистее должен быть свод. Однако, чем подъемистее свод, тем меньше коэффициент использования выработки – отношение минимально необходимой площади поперечного сечения станции к площади проектного сечения выработки. Это приводит к увеличению объема разрабатываемого грунта. Свод очерчивают по круговой или трехцентровой коробовой кривой. В скальных грунтах стены целесообразно принять вертикальными, а основание – плоским. В нескальных грунтах стены следует выполнить криволинейными, и замкнуть обделку обратным сводом.

Вопросы проектирования станций колонного типа с различными конструктивными решениями подробно освещены в учебнике [1, с. 218-228].

Для предварительного обоснования варианта односводчатой станции закрытого способа работ в таблице 6.4. приведены возможные конструктивные схемы и область их применения.

Если односводчатые станции предполагается сооружать в слабо трещиноватых скальных грунтах при отсутствии напорных грунтовых вод может быть рассмотрен вариант с облегченной комбинированной обделкой (т.6.4а). Такая обделка состоит из решетчатых арматурных арок (или легких арок специального профиля), закрепленных сталеполимерными

Табл.6.4

Конструктивные схемы односводчатых станций , сооружаемых закрытым способом

Конструктивная схема	Условия применения
а)	Устойчивые необводненные слабо трещиноватые скальные грунты f ≥4 Ширина платформы Во = 10-12м.
б)	Устойчивые необводненные трещиноватые полускальные и скальные грунты f =3-4. Ширина платформы Во = 10м
в)	Необводненные сильно трещиноватые полускальные и скальные грунты f =2-3. Ширина платформы Во = 10м
г)	Необводненные сильно трещиноватые полускальные грунты, твердые глины f =1,5. Ширина платформы Во = 10м
д)	Твердые и пластичные глины глины f = 0,8-1,5. Ширина платформы Во = 10-12м.

анкерами 1 и омоноличенных набрызгбетоном 2. В зависимости от устойчивости выработки анкеры длиной l_а = 1,5-2.5м установлены с шагом а = 1-1,8м. Толщина слоя набрызгбетона составляет 150-200мм. Для архитектурного оформления станционного зала и для защиты от капежа зал перекрывают декоративным самонесущим пластиковым сводом–зонтом 3.

В трещиноватых полускальных и скальных грунтах обделка односводчатой станции выполняется из монолитного железобетона (т.6.4б). В зависимости от пролета выработки, прочностных характеристик грунта и принятой схемы раскрытия выработки толщина обделки в замке свода составляет h₃ = 500-800мм. Эта толщина может оставаться постоянной в любом сечении обделки, либо увеличиваться к пятам свода до размера h_п = (1,5-2,0) h_з. При уширенной на уровне пят свода обделке снижаются усилия в стенах, поскольку часть их передается на грунт. В результате появляется возможность уменьшить толщину стен до значения, равного половине h_п.

В более слабых выветрелых сильно трещиноватых скальных грунтах следует увеличить подъемистость свода и замкнуть обделку обратным сводом (т.6.4в). При этом предусмотреть раскрытие выработки ново-австрийским методом с устройством временной крепи (первичной обделки тощиной h₁) из арок и набрызгбетона.

Вторичная обделка из монолитного железобетона (толщиной h₂), выполненная в виде подъемистого свода опирается на массивные стены, устроенные в предварительно пройденных штольнях. Если станцию сооружают в грунтах с незначительным водопритоком, то между временной крепью и железобетонной обделкой устраивают пленочную гидроизоляцию.

Основу конструктивной схемы односводчатой станции в малопрочных неустойчивых скальных или в глинистых грунтах состав­ляют многошарнирные верхний и нижний обжатые на породу своды из сборных железобетонных блоков.

Конкретным усло­виям заложения станции соответствуют определенные проле­ты н подъемистость сводов, количество и размеры блоков, конструктивное решение стыков, обеспечивающих шарнирное опирание. Однако главным при проектировании односводча­гой станции является решение вопроса о конструкции опор­ного узла.

В зависимости от свойств грунтового массива и подъемистости свода опорные узлы могут быть выполнены двух типов. В относительно прочных грунтах (f = 1,5-2 ) при пологом своде устойчивость конструкции может быть обеспечена опиранием многошарнирного свода на опо­ры треугольного или трапецеидального очертания. Опоры сооружаются в штольнеобразных выработках, пройденных комбайнами с исполнительным органом избирательного дейст­вия и закрепленных набрызгбетоном (т.6.4г).

В глинистых грунтах устойчивость конструкции обеспечивается подъемистым сводом, опертым на опоры кру­гового очертания. Опоры сооружаются в выработках, прой­денных с ти­повой обделкой перегонных тоннелей эректорным способом или механизированными щитовыми комплексами (6.4д)

В курсовом или дипломном проекте могут быть рассмотрены конструкции станций с боковыми платформами. Схемы к построению внутреннего очертания односводчатой станции с боковыми платформами в скальных и нескальных грунтах приведены в [1], стр.219.