Как правило, в продольных (радиальных) стыках чугунных тюбинговых обделок устанавливаются болтовые связи, однако, в определённых условиях продольные стыки бывают шарнирными, цилиндрической формы и без болтовых связей. Для обеспечения правильного взаимного расположения тюбингов в кольце обделки, в конструкцию шарнирного стыка вводятся монтажные шпильки.
Количество тюбингов в кольце обделки зависит, в основном, от диаметра тоннеля, так как линейные размеры тюбинга, по условиям их отливки, ограничены величиной 2 метра. Зная внутренний диаметр обделки и конструкцию продольного стыка можно предварительно назначить высоту борта тюбинга hб, затем определяется диаметр разбивочной линии (Dразб.= Dвн + hб), по которой будут располагаться болтовые отверстия в поперечных (кольцевых) бортах. Рекомендуется устанавливать болтовые связи по кольцевому борту с шагом 400 - 450 мм. Учитывая, что размер тюбинга по дуге рекомендуется принимать не более 2000 мм, по кольцевому борту каждого тюбинга располагают 3 или 4 болтовых отверстия (см.рисунок)
Таким образом, число длину тюбингов в кольце обделки можно определить по формуле:
L= =1.95 м
Ширина кольца обделки, то есть размер тюбинга по продольному борту b, в отечественных чугунных обделках принят равным 1,0 м. для обделок перегонных тоннелей и 0,75 м для станционных тоннелей метрополитенов.
Обделка из чугунных тюбингов с плоским железобетонным лотковым элементом.
Соединение лоткового элемента со смежными с ним предлотковыми тюбингами обеспечивается благодаря установке в железобетонный элемент закладных деталей, обеспечивающих установку болтовых связей
Рис. 4 - Соединение железобетонного лоткового элемента с чугунным тюбингом: 1- железобетонный элемент; 2- чугунный тюбинг; 3- четырёхгранник на головке болта; 4 - болт; 5- шайба; 6- чеканочная канавка; 7- закладная втулка с гайкой; 8 -анкер.
Ширина плоской поверхности лоткового элемента Bл и соответственно его центральный угол определяются удобством расположения на этой плоскости двух откаточных путей. В существующих конструкциях обделок с плоским лотковым элементом Вл находится в пределах 2,2 - 2,7 метра.
Основным недостатком рассмотренной конструкции является невозможность осуществления перевязки продольных стыков, что приводит к снижению жёсткости обделки относительно предыдущего варианта. Однако, если в конструкцию обделки ввести ещё один тип тюбинга, можно добиться перевязки продольных стыков обделки за исключением стыков между лотковым элементом и смежными с ним тюбингами. Тюбинг этого типа равен половине нормального тюбинга и поэтому получил название «половинного» П. Половинный тюбинг устанавливается рядом с лотковым элементом поочерёдно то слева, то справа от него, благодаря чему все продольные стыки смещаются то в одну, то в другую сторону относительно вертикальной оси тоннеля (см.рисунок)
При определении количества «длинных» тюбингов в кольце обделки с плоским лотком следует иметь в виду, что длина разбивочной линии Lразб. определяется без учёта длины дуги, приходящейся на лотковый элемент, а если в обделке предусмотрена перевязка продольных стыков, необходимо учесть ещё два болтовых отверстия половинного тюбинга.
L половинного тюбинга =1,95/2=97,5м
3. Расчёт тоннельных обделок
Конструкции подземных сооружений рассчитывают на наиболее невыгодные (основные и особые) сочетания нагрузок и воздействий.
Основные сочетания включают: собственный вес конструкции, горное и гидростатическое давление, длительно действующие временные нагрузки и факторы, кратковременные нагрузки от наземного и внутритуннельного транспорта, а также воздействия, возникающие в процессе сооружения тоннеля.
Особые сочетания состоят из постоянных нагрузок, наиболее вероятных временных и одной из особых (сейсмической или другой) нагрузок или воздействий.
Вес железнодорожного подвижного состава в устойчивых грунтах передается непосредственно на грунт, а при наличии обратного свода - через него.
В обоих случаях воздействие подвижного состава в малой степени влияет на усилие в верхней, наиболее напряженной части обделки.
Нормативные строительные нагрузки принимают в соответствии с конкретными характеристиками используемого при сооружении тоннеля оборудовании.
Расчетные нагрузки получают умножением нормативных нагрузок на коэффициенты перегрузки n, значение которых принимается с учетом характера влияния данной обделки (нагрузки) на работу конструкции.
Постоянные нагрузки и воздействия (монолитный)
Постоянный - вес грунта или горное давление, гидростатическое давление, собственный вес, вес от сооружения на поверхности.
Нагрузка от горного давления
Определим величину пролёта свода обрушения:
тоннель тюбинг обделка проектирование
L = B + 2*h*tg(45° - цк/2)
L = 6+ 2*8,5*tg(45-(arctg7)/2) = 7,2м.
arctg7=81,86989764
где к - значение кажущегося угла внутреннего трения грунтового массива в пределах сечения тоннельной обделки. Определим высоту свода обрушения:
h1 = L/ (2*f)
h1 = 7,2/ (2*7)=0,51 м
Нормативное горное давление - вертикальное и горизонтальное - определяется по формулам:
qн=*h1=2,8*0,51 =1,4 тс/м2;
рн в = 2,8*(0,51 +0,5*8,5)*tg2 (4,06) = 0,064 тс/м2.
-плотность грунта,, h1- высота свода обрушения
Определим расчётные значения горного давления:
qрасч = qн*з = 1,4*1,2 = 1,65 тс/м2;
рр в= рн в*з=0,064*1,5=0,097 тс/м2
Нагрузка от гидростатического давления
Гидростатическое давление следует учитывать при расчете конструкций тоннеля или его части, расположенных ниже уровня подземных вод. qн = гw*hw; hw-высота УГВ, сверху и снизу тоннеля
qнв = 1*(31,5) = 31,5 тс/м2;
qнн= 1*(40) = 40 тс/м2;
qрасчв = qнв*з =31,5*1,1=34,65 тс/м2
qрасч н= qнн*з =40*1,1 = 44 тс/м2.
Нагрузка от собственного веса
Нагрузка от собственного веса определяется по проектным размерам конструкции и объёмному весу материала.
Вертикальная нагрузка от собственного веса обделки по предварительно заданным размерам сечений (удельный вес бетона гб = 24 кН/м3) суммируется с вертикальной нагрузкой от горного давления.
Площадь сечения обделки щ вычисляем по формуле
щ = (рRІн/2) - (рRІвн/2) = (3,14•3,0І/2) - (3,14·2,8І/2) =14,13 - 12,3088 = 1,82 мІ,
где Rн - наружный радиус свода обделки;
Rвн - внутренний радиус свода обделки.
,
где - вес 1 п.м. свода обделки, - пролет свода
qн = (2,4*1,82)/7,2 = 0,6 тс/м2.
qрасч = qн*nq = 0,6 *1,2 = 0,72 тс/м2.
Постоянные нагрузки и воздействия (сборный)
Определим величину пролёта свода обрушения:
L=Dн*(1+2tg(45- цк /2))=9,5*(1+2tg(45-81,86989764/2))=10,85м
цк = arctg7=81,86989764
Определим высоту свода обрушения:
h1 = L/ (2*f)
h1 = 10,85/ (2*7)=0,77 м
Нормативное горное давление - вертикальное и горизонтальное - определяется по формулам:
qн=*h1=2,8*0,77 =2,0 тс/м2;
рн в = 2,8*(0,77 +0,5*9,5)*tg2 (4,06) = 0,075 тс/м2.
Определим расчётные значения горного давления:
qрасч = qн*з = 2,0*1,2 = 2,4 тс/м2;
рр в= рн в*з=0,075*1,5=0,1125 тс/м2
Нагрузка от гидростатического давления
Гидростатическое давление следует учитывать при расчете конструкций тоннеля или его части, расположенных ниже уровня подземных вод. qн = гw*hw;
qнв = 1*(30,5) = 30,5тс/м2;
qнн= 1*(40) = 40 тс/м2;
qрасчв = qнв*з =30,5*1,1=33,22 тс/м2
qрасч н= qнн*з =40*1,1 = 44 тс/м2.
Нагрузка от собственного веса
Нагрузка от собственного веса определяется по проектным размерам конструкции и объёмному весу материала.
Вертикальная нагрузка от собственного веса обделки по предварительно заданным размерам сечений (удельный вес бетона гб = 24 кН/м3) суммируется с вертикальной нагрузкой от горного давления.
Площадь сечения обделки щ вычисляем по формуле
щ = (рRІн) - (рRІвн) = (3,14•4,75І/2) - (3,14·4,4І/2) =70,88 - 60,82 = 10,06 мІ,
где Rн - наружный радиус свода обделки;
Rвн - внутренний радиус свода обделки.
,
где - вес 1 п.м. свода обделки, - пролет свода
qн = (2,4*10,06)/10,85 = 2,22 тс/м2.
qрасч = qн*nq = 2,22 *1,2 = 2,66 тс/м2.
Расчётная схема и основная система
Монолитные тоннельные обделки являются статически неопределимыми конструкциями. Поэтому их напряженное состояние сильно зависит от смещений пятовых сечений сводов, которые в связи с этим следует рассматривать как упруго заделанные в грунт или стены.
Расчетную схему обделки выбирают в соответствии с характером конструкции и ее окружающих грунтов, а также в зависимости от условий работ, на всех этапах производства которых обделка в целом или ее отдельные части должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью.
Свод в упругой среде
Под действием внешних активных нагрузок тоннельная обделка деформируется, изменяя своё положение относительно контура выработки. На той части контура, где перемещения обделки происходят в сторону выработки, обделка деформируется свободно, не взаимодействуя с грунтом. Эта часть контура носит название безотпорного участка и характеризуется возникновением значительных изгибающих моментов. На остальной части контура тоннельная обделка смещается в сторону грунта, вызывая с его стороны сопротивление - упругий отпор, ограничивающий деформации конструкции и возникающие в ней изгибающие моменты.
В обделках замкнутого очертания стены жестко связаны концами обратного свода, покоящегося на упругом основании. В этом случае упругую среду заменяют упругими опорами на всем контуре взаимодействия обделки с грунтом.
Основы статического расчета обделки горного тоннеля
Расчет тоннельных обделок выполняется по методу заданных нагрузок с учетом гипотезы Фаусса-Ванклера местных деформаций.
Под действием внешних активных нагрузок, тоннельная обделка рис.5 деформируется, изменяя свое положение относительно контура выработки.
На той части контура, где перемещения обделки происходит в сторону выработки, обделка деформируется свободно, не взаимодействуя с грунтом. Эта часть контура носит название безотпорного участка и характеризуется возникновением значительных изгибающих моментов. На остальной части контура тоннельная обделка смещается в сторону грунта, вызывая с его стороны сопротивление - упругий отпор, ограничивающий деформации конструкции и возникающие в ней изгибающие моменты.
Согласно гипотезе Фаусса-Ванклера напряжения и местные деформации связаны прямой пропорциональностью:
=kU
где k- коэффициент упругого отпора грунта (коэффициент Постели), кН/м3
Согласно этой гипотезе нагрузка вызывает осадки поверхности лишь в точке ее приложения (местные деформации). В действительности же при рассмотрении среды как линейно-деформируемой нагрузка, приложенная на любой площадке, вызывает осадку всей поверхности упругого массива (общие деформации).
Коэффициент упругого отпора не является физико-механической характеристикой грунта, т.к. зависит не только от его свойств, но и от целого ряда трудно учитываемых факторов (форм и размеров площади основания, интенсивности нагрузки, условий залегания грунтов, жесткости конструкции).
Таблица 1 - Объём работ на 1 пм тоннеля (монолитный)
|
Показатель |
Единица измерения |
Объём |
|
|
Разработка породы |
м3 на 1 пм |
47,77 |
|
|
Гидроизоляция (бетонирование) |
м2 на 1 пм |
9,17 |
Таблица 1 - Объём работ на 1 пм тоннеля (сборный)
|
Показатель |
Единица измерения |
Объём |
|
|
Разработка породы |
м3 на 1 пм |
70,8 |
|
|
Гидроизоляция (бетонирование) |
м2 на 1 пм |
10,06 |
Список используемой литературы
1. «Тоннели и Метрополитены»: учебник для ВУЗов. В.Г. Храпов, Е.А. Демешко, С.Н. Наумов и др., Под ред. В.Г. Храпова. - М.: Транспорт, 1989. 383 с.
2. СНиП II-44-78. Часть II. «Тоннели железнодорожные и автодорожные».
3. МУ «Проектирование тоннелей сооружаемых горным способом»: А.А. Гринев, А.Е. Слемзин. 1988. 32 с.
4. «Справочник инженера-тоннельщика»: Г.М. Богомолов, Д.М. Голицынский, С.И. Сеславинский и др., под ред. В.Е. Меркина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова - М.: Транспорт, 1993. 389 с.