Филиппов Иван Иванович, к т. н., профессор учебно-методический комплекс

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание 5.1. Вентиляция подземных выработок. Естественная вентиляция Схемы проветривания глухих выработок. 5.2. Водоотвод и водоотлив при проходке выработок. 5.3. Освещение подземных выработок. 6.1. Проектирование строительства тоннелей 10 строительства, душевой комбинат 9 6.2. Цикличность и комплексная механизация подземных работ График производства работ Расчет монолитных тоннельных обделок подковообразного очертания 7.2. Основные расчетные схемы монолитных тоннельных обделок Свод, опирающийся на грунт Свод в упругой среде Обделка замкнутого очертания в упру­гой среде 7.3. Расчет подковообразной обделки с заменой упругой среды упругими опорами 7.4. Проверка прочности сечений бетонной обделки Вид сопротивления

Подобный материал:

• Корниенко Сергей Иванович, доктор исторических наук, профессор кафедры новейшей истории, 248.33kb.
• Алексунин Владимир Алексеевич, профессор, к э. н., профессор кафедры маркетинга и рекламы, 1296.15kb.
• Автор Баташов Сергей Иванович (Ф. И. О) учебно-методический комплекс, 414.78kb.
• Климов Иван Андреевич, доктор философских наук, профессор учебно-методический комплекс, 2577.41kb.
• Слонов Людин Хачимович Доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры ботаники, 823.83kb.
• Литвинюк Александр Александрович д э. н., профессор должность профессор учебно-методический, 654.29kb.
• Панкратов Леонид Васильевич Д. т н., профессор учебно-методический комплекс, 948.73kb.
• Шевчук Иван Викторович, преподаватель учебно-методический комплекс, 654.01kb.
• Чиркун Сергей Иванович учебно-методический комплекс, 257.6kb.
• Парамонова Татьяна Николаевна д э. н., профессор Красюк Ирина Николаевна к э. н., доцент,, 1704.02kb.

Глава 5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ.


5.1. Вентиляция подземных выработок.

Требования к вентиляции. Важнейшим условием безопасной и производительной работы по проходке является вентиляция, обеспечивающая нормальные состав, температуру и влажность воздуха.

Естественная вентиляция допускается как исключение при наличии в подземной выработке сквозного хода, который создает необходимую тягу и в случае коротких выработок.

Воздух подземной выработки должен содержать по объему не менее 20% кислорода и не более 0,5% углекислого газа и иметь температуру не ниже +2⁰С зимой и не выше 25⁰С летом.

Серьезную опасность представляет выделение метана, при концентрации от 5-6 до 14-16% по объему образующего с воздухом гремучую смесь, взрывающуюся при воспламенении. Допустимой является концентрация метана, не превышающая 1% . В противном случае необходимо удалить рабочих из выработки и принять меры к снижению концентрации метана (усиленное проветривание).

Правилами безопасности требуется не реже одного раза в неделю делать лабораторный анализ воздуха выработки на содержание кислорода, углекислого газа, окиси углерода и метана.

При отсутствии взрывных работ и действующих двигателей внутреннего сгорания в выработку следует подавать в 1 мин не менее 6 м³ чистого воздуха на каждого рабочего, находящегося под землей.

Взрывные работы сопровождаются выделением значительных объемов ядовитых газов (окиси углерода, окислов азота), содержание которых обычно приводит к эквивалентному по вредности объему окиси углерода. В соответствии с Правилами по технике безопасности и производственной санитарии при строительстве метрополитенов и тоннелей принимают, что при взрыве 1кг ВВ, применяемых при проходке подземных выработок, образуется 40л условной окиси углерода. Вначале проходки это значение уточняют, непосредственно измеряя объемы составляющих газов взрывания.

При использовании в выработке оборудования с двигателями внутреннего сгорания обязательно применять нейтрализаторы отработавших газов и выключать двигатели у машин, находящихся под погрузкой. В атмосферу выработки поступают находящиеся в выхлопных газах автомобилей дополнительные объемы окиси углерода и окислов азота, а также акролеин.

Задачей вентиляции при проходке является разбавление вредных газов в атмосфере выработки до допустимой концентрации.

Допуск рабочих в забой разрешается по достижении концентрации условной окиси углерода 0,008% по объему, но не ранее чем через 15 мин после взрывания. Эта концентрация в 5 раз превосходит допускаемую при продолжительном пребывании (0,0016%). Поэтому после допуска рабочих в забой необходимо непрерывное проветривание в объеме не менее 60% от первоначального.

Схемы проветривания глухих выработок. Тоннельные выработки проходят, как правило, глухим забоем. Схемы вентиляции выбирают в соответствии с расположением по длине выработки источников вредностей, который определяют необходимый объем проветривания.

Если в выработке отсутствует выделение вредных газов и задачей вентиляции является обеспечение свежим воздухом находящихся в ней людей, применяют приточное проветривание.

При проходке взрывным способом на выбор схемы вентиляции влияет вид транспорта, применяемого в выработке.

При электровозной откатке основной задачей вентиляции является разбавление взрывания. Целесообразно предотвратить их распространение по выработке и как можно скорее удалить из забоя. Для этого применяют вытяжное проветривание, которое обеспечивает возможность допуска рабочих в забой, с последующим переходом к приточному проветриванию с подачей свежего воздуха в призабойное пространство - место наиболее интенсивной работы.

При безрельсовом транспорте ( автомобили-самосвалы, думперы ) основной задачей вентиляции является разбавление вредных составляющих выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. В этом случае применяют приточно-вытяжное проветривание с подачей свежего воздуха в забой во время транспортных операций и последующим переходом к вытяжному проветриванию после взрывания.

При вытяжном проветривании (рис.5.1) отсасывание воздуха из забоя производится вентиляторами 1к порталу или скважине, пробуренной с поверхности, по вентиляционным трубам жесткой конструкции, концы которых располагаются на расстоянии не более 10 м от забоя.

В таком виде вытяжное проветривание малоэффективно, так как газы в призабойном пространстве плохо перемешиваются и засасываются в трубу лишь с расстояния, не превышающего 1,5 м. Поэтому возможно их скопление в сводовой части выработки. Для ускорения очищения забоя от газов взрывания в призабойном пространстве устанавливают вентилятор-побудитель 2, который подает воздух из выработки к забою и обеспечивает перемешивание и удаление вредных газов. Конец трубы такого вентилятора располагают не ближе 10 м от конца вытяжной трубы.

При вытяжном проветривании (рис.5.1,б) воздух, проходя от портала вдоль выработки, загрязняется, увлажняется, нагревается и поступает к забою неполноценным. Поэтому после допуска рабочих в забой обычно переходят на приточное проветривание, обеспечивающее поступление в забой свежего воздуха.

При приточном проветривании вентиляционные трубы могут быть как жесткой, так и гибкой конструкции. Конец приточной вентиляционной трубы должен находиться от забоя на расстоянии, не превышающем длины зоны действия свободной струи l_c (м), определяемой по формуле

l_c = 18,7

где F - площадь сечения выработки, м²; F_тр - площадь сечения вентиляционной трубы, м².

При приточно-вытяжном проветривании (рис.5.1,в,г) вентиляционные трубы должны быть жесткой конструкции, так как они используются и для притока, и для вытяжки воздуха. Конец приточной вентиляционной трубы располагают так же, как и при приточном проветривании. Конец трубы от вентилятора-побудителя 2, необходимого при переходе на вытяжное проветривание (рис.5.1,г), выдвигают не менее чем на 10м относительно конца приточного воздухопровода в сторону забоя.

Во всех случаях забор воздуха у портала должен проводиться на расстоянии не менее 10 м от места выхода загрязненного воздуха.


5.2. Водоотвод и водоотлив при проходке выработок.

Водоотвод необходим для успешного проведения подземных работ. Одновременно с продвижением забоя по оси выработки или у одной из ее стен устраивают канаву для отвода поступающих подземных вод и воды от промывки при бурении шпуров. Размеры канавки принимают в соответствии с ожиданием притоком воды исходя из нормальной скорости ее течения 0,4-0,6 м/с и установившегося уровня не выше чем 10 см от пола выработки.

Зависимость между расходами воды Q, площадью живого сечения  канавки и ее уклоном i устанавливается формулой Шези:

Q = c,

где R - гидравлический радиус сечения канавки.

Значение коэффициента c определяют по формуле


c =

где  - коэффициент шероховатости поверхности, имеющийся от 0,16 ( для необструганных досок ) до 0,85 (для обработанной скалы ).

Ширину канавки в свету обычно принимают равной 40-70 см. В случае необходимости стенки канавки закрепляют досками с целью предотвращения их разрушения и обеспечения меньшего сопротивления движению воды.

Если выработка идет на подъем, вода удаляется из нее самотеком. При проходке под уклон по длине выработки устраивают систему водосборников глубиной не менее 0,8 м, соединяемых канавками уклон к порталу (рис.5.2).

Расстояние между водосборниками

L = .

Где h_k – максимальная глубина канавки (обычно не более 70 см); i _в и i _к – уклоны соответственно выработки и канавки.

Водосборник оборудуют не менее чем двумя насосами (один работающий, другой резервный) для перекачивания воды к порталу. При проходке тоннеля полным сечением целесообразно применять насосы, смонтированные на буровой раме или тележке блокоукладчика.

Для откачивания воды используют преимущественно центробежные насосы. Они компактны, экономичны, работают бесшумно, не требуют сложного ухода и успешно перекачивают сильно загрязненные жидкости.


5.3. Освещение подземных выработок.

Производительность труда и безопасность работ во многом зависят от освещенности рабочих мест и откаточных путей, которая должна составлять не менее 15 лк. Поэтому все подземные выработки обеспечивают стационарным электрическим освещением, не требующим усиления вентиляции и безопасным при выделении газов. В зависимости от размеров сечения по обеим сторонам выработки через 4-8 м на высоте от 2 до 6 м подвешивают лампы мощностью 40-150 Вт. В призабойной части выработки число или мощность ламп увеличивают, а вертикальный забой освещают из расчета 15 Вт на 1 м² его площади.

В выработках высотой более 4 м допускается применять прожекторы с матовыми стеклами, устанавливаемые так, чтобы была исключена возможность их ослепляющего действия. Ввиду опасности поражения электрическим током напряжение в сети освещения принимают равным 42 В, за исключением щитов, укладчиков, металлических подмостей и буровых ламп, где напряжение принимают равным 12 В.

Лишь в готовой части сухих тоннелей допускается напряжение 220 В с осветительной проводкой, выполняемой изолированным проводом на фарфоровых изоляторах или роликах с высотой подвески не менее 2,5 м от уровня головки рельсов.

Для перехода от напряжения наружной сети к напряжению, принятому в выработке, вне пределов рабочей зоны устанавливают линейные трансформаторы с низковольтным распределительным щитом.

Переносные лампы (ручные и головные), применяемые непосредственно в забое, должны быть защищены сеткой и снабжены вилкой, исключающей возможность их включения в сеть напряжения более высокого, чем 12 В.

На случай перерыва в подаче электроэнергии на рабочих местах должны находиться также аккумуляторные лампы.


Глава 6. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ТОННЕЛЬНЫХ РАБОТ


6.1. Проектирование строительства тоннелей

и подготовительные работы


Проектирование строительства тонне­лей всех видов выполняют обычно в две стадии. На основании обследования района строительства и технико-экономического обоснования решений (ТЭО) разрабатывают проект с выбором плана, продольного профиля и поперечных се­чений тоннеля, материалов и конструк­ций обделок, мест расположения порта­лов и строительных площадок, способов производства работ и сроков их вы­полнения; решают вопросы транспорт­ных связей строительства, размещения отвалов, снабжения водой, энергией и т. д.

В состав проекта входят также свод­ная смета по строительству в целом и сметы на отдельные виды работ, входя­щие в комплекс строительства.

На основе утвержденного проекта составляют рабочие чертежи на строи­тельные и монтажные работы с макси­мальным использованием типовых про­ектов, привязываемых к местным усло­виям строительства.

Проект организации строительства (ПОС), разрабатываемый проектной ор­ганизацией, содержит генеральный план строительства, топографический план района строительства с нанесением объектов, необходимых для его развер­тывания. привязанные к местности схе­мы строительных площадок, схемы ме­ханизации поверхностных и подземных работ и пояснительную записку.

Для особо сложных объектов, к кото­рым относятся тоннели, проект производ­ства работ составляет также проектная организация на основе решений, при­нятых в проекте организации строитель­ства.

Проект производства работ содержит технологические схемы производства тоннельных работ, календарный план их выполнения, графики обеспечения строи­тельства материалами, конструкциями, оборудованием, рабочей силой, энерги­ей и транспортными средствами, график работы основных строительных машин и механизмов и пояснительную записку.

Основная задача, решаемая при ор­ганизации работ,— ускорение проходки тоннеля с обеспечением высокого каче­ства и безопасности работ. Для этой цели необходимо ускорение проходки в каждом из забоев, а также увеличение их числа путем открытия промежуточ­ных забоев из шахт и боковых штолен — «окон», если это целесообразно в техни­ко-экономическом отношении.

Строительство железнодорожных тоннелей, выполняемое специализированными строительными организациями (тоннельными отряда­ми, строительно-монтажными поездами), ведется обычно а районах страны, уда­ленных от крупных промышленных цент­ров и зачастую труднодоступных для автомобильного транспорта. Это свя­зано с выбором конструктивных и про­изводственных решений, общей схемой организации строительства и степени его индустриализации и механизации.

Началу основных работ по сооруже­нию тоннеля должны предшествовать: устройство подъездных дорог и подача электроэнергии к месту строительства, создание баз, обеспечивающих строи­тельство материалами (карьеры, лесо­заготовки), оборудование строительных площадок (рис. 6.1) с местами отвалов грунта и постройка жилых поселков для строителей. Откаточные пути, выходя­щие из тоннеля, ведут к отвалам грунта, бетонной установке 3 и вдоль основных объектов площадки. Ответвления свя­зывают пути со складом 6 заполнителей и электровозным депо 7, совмещенным с зарядной станцией. Непосредственно у предпортальной выемки находятся вентиляторная 5 и стройдвор 4 с арматурным цехом. Склады оборудования 14, разных материалов 15 и центральный склад 11 расположены по обе стороны от узкоколейных путей, так же как меха­ническая мастерская 8 с пневматиче­ской, кузница 12 с бурозаправочной и электросварочной 11, лесопильный цех 17 и помещение 16 пожарной охраны.

Компрессорная 1 с градирней 2, склад 18 топливосмазочных материалов и трансформаторная подстанция 21 вы­несены за пределы основной площадки.

Специальная дорога ведет к расход­ному складу ВВ 19 с постом 20 охраны.

Контора 10 строительства, душевой комбинат 9 с медпунктом, котельная 13 для отопления помещений, так же как трансформаторная подстанция 21, раз­мещаются ниже спланированной поверх­ности строительной площадки.

Порядок производства работ по соору­жению припортальных участков и пор­тала тоннеля зависит от характера и условий залегания прорезаемых грун­тов и принятых, методов проходки.

Устойчивость лобового откоса выемки обеспечивается .временной деревянной крепью (см. п 13). В трещиноватых скальных грунтах целесообразно закрепление откоса стальными анкерами, длина которых превышает глубину воз­можного отделения глыб грунта. По­верхность откоса между анкерами затя­гивают сеткой.


6.2. Цикличность и комплексная механизация подземных работ

Основой организации работ является цикличность выполнения строительных процессов, их комплексная механиза­ция, а также индустриализация строи­тельства, при которой значительную часть применяемых конструкций (кре­пи, опалубки, элементы обделки) изго­товляют на поверхности и лишь монти­руют под землей.

Цикличность представляет собой ра­боту по строгому графику, когда каж­дый рабочий отчетливо знает последо­вательность процессов, выполняемых бригадой, время, отведенное для каждо­го из них, а также имеет навыки для выполнения отдельных операций в установленные сроки.

Применительно к проходке подземной выработки циклом называют ряд пе­риодически повторяющихся рабочих процессов, выполнение которых обеспе­чивает продвижение забоя выработки на глубину заходки. Время, нужное для этого, носит название времени цикла.

Организацию работ следует проекти­ровать исходя из выполнения целого числа циклов в сутки.

Наиболее целесообразна организация работ, при которой в каждую смену занято одинаковое число рабочих, что обеспечивает возможность уменьшения времени цикла при перевыполнении норм бригадами. Однако в крепких скальных грунтах, трудоемкость буре­ния которых весьма значительна, воз­можна организация работ, при которой целая смена уделяется бурению, заря­жанию глубоких шпуров и проветрива­нию после взрывания, а следующая смена — уборке большого объема взор­ванного грунта и установке временной крепи. В этом случае состав бригад в сменах может быть различен, так как для бурения нужно большее число ра­бочих, а погрузка выполняется высоко­производительными погрузочными ма­шинами, снижающими трудоемкость ра­бот и потребность в рабочей силе (про­должительность погрузки определя­ется машинным временем, а занятость рабочих — необходимостью обслужива­ния машин).

Целесообразно, чтобы время цикла равнялось продолжительности целого числа смен (на подземных работах при нормальном давлении воздуха продолжи­тельность смены 6 или 7,2 ч соответст­венно для шести- и пятидневной рабо­чей недели). При этом облегчается учет и оценка выполненных бригадами работ, повышается ответственность бригад за качество и материальная заинтересован­ность в выполнении плана. Чтобы каждая смена завершалась выполне­нием соответствующей части цикла, не­обходимо уточнять сменные проходче­ские задания в соответствии с геологи­ческими условиями и квалификацией бригад.

Цикличная работа на каждом рабочем месте — основное условие, необходимое для осуществления скоростной проходки тоннеля. Отставание с выполнением цикла работ на одном из рабочих мест тормозит работу на последующих рабо­чих местах, и, наоборот, ускорение работы на одном из звеньев процесса способствует общему ускорению про­ходки.

Цикличная работа предъявляет по­вышенные требования к обеспечению производственного процесса (снабжение инструментами, водой, энергией, кре­пежными и другими материалами, устройство рельсового пути, подача порожняка, налаженная работа тран­спорта, вентиляции и водоотлива), тре­бует правильного использования рабо­чей силы, четкого и продуманного ру­ководства. Так, для обеспечения рабо­чих мест вагонетками и материалами движение рабочих составов должно про­изводиться по строгому графику. Фор­мирование составов следует выполнять на поверхности, располагая вагонетки в порядке, соответствующем последова­тельности рабочих участков — получа­телей грузов и порожняка.

План выполнения производственных процессов за время цикла оформляют в виде циклограммы, которая содержит последовательность и объемы работ цик­ла, нормативное время, требуемое для их выполнения, и графическое изображение распределения членов бригады по рабо­чим местам с указанием принятого вре­мени выполнения отдельных операций. В циклограмме предусматривают не­которое повышение производительности труда по сравнению с действующими нормами с учетом опыта работы передо­вых бригад и улучшений в организации и механизации производственных про­цессов.

На рис. 6.3 приведена циклограмма на проходку однопутного железнодорож­ного тоннеля в грунтах с коэффициентом крепости f = 8:10 способом сплошного забоя.

Обуривание забоя и шпуров для ан­керной крепи осуществляется с помо­щью самоходного бурового агрегата (ПБА-1 или фирмы «Фурукава»), пог­рузка грунта — машиной ПНБ-ЗК в вагоны ВПК-7, передающие грунт в вагоны ВПК-10, удаляемые из тоннеля контактным электровозом.

Выполнение циклограммы обеспечи­вает продвижение забоя на 2,7 м, что при четырехсменной работе соответствует скорости проходки 90 м/мес.. Бри­гада проходчиков в составе 7 чел. рас­пределяется по операциям цикла в соот­ветствии с указаниями на циклограмме.

Организацию работ в тоннеле строят по единому плану, рассчитанному на сооружение в сутки участка тоннеля, длина которого равна суточному про­движению забоя выработки. При отставании других работ от темпов, разви­ваемых в этом забое, увеличивается срок сооружения тоннеля; при скорости их выполнения больше, чем скорость про­движения забоя выработки, сокраща­ется участок развертывания работ по длине тоннеля и возникают взаимные помехи при выполнении отдельных про­изводственных процессов. Поэтому целе­сообразно построение циклограмм для различных рабочих мест в тоннеле (про­ходка штолен, раскрытие калотт и штросс, возведение обделки) исходя из общей для участка скорости сооруже­ния тоннеля.

При поточном методе работ ежесуточно сооружают участок тоннеля, длина которого равна продвижению опережаю­щего забоя. Все основные процессы увя­заны в единую схему комплексной меха­низации.

На рис.6.1 приведена схема работ по сооружению однопутного железнодорож­ного тоннеля с монолитной обделкой способом сплошного забоя. Погрузку взорванного грунта ведут двумя маши­нами МПР-6 в вагонетки, смена которых осуществляется перестановщиком, смон­тированным на буровых подмостях, отводимых от забоя перед взрывом на 20 м. Обделку бетонируют на расстоя­нии до 85 м от забоя в телескопической опалубке, состоящей из восьми секций длиной 2 м каждая и тележки для их переноса и установки. Укладку бетон­ной смеси ведут двумя пневмобетоноукладчиками, размещенными на самоход­ной тележке и загружаемыми с помощью крановой балки. После достижения про­ектной прочности бетона производят нагнетание за обделку с тележки, на которой установлены аппарат для наг­нетания и кран для подъема контейне­ров с сухой смесью. В призабойной зоне расстояние между откаточными пу­тями увеличено, чтобы обеспечить захват машинами всего взорванного грунта; на остальном протяжении расстояние между путями соответствует габаритам пространства под рабочими тележками.

График производства работ устанав­ливает их порядок, обеспечивающий со­оружение тоннеля в заданные сроки, и дает представление о последовательно­сти и связи отдельных процессов в тоннеле, организованных в соответствии с циклограммами.

Наиболее нагляден график в наклонных линиях, в котором по оси абсцисс откладывают длину тоннеля, а по оси ординат – время. Ход выполнения поступательного рабочего процесса изображают наклонной линией, составляющей с осью абсцисс угол, котангенс которого пропорционален скорости производства работ. примерный вид такого графика изображен на рис. 6.4. для тоннеля, сооружаемые способом сплошного забоя. Обозначения на графике соответствуют процессом работ (раскружаливание обделки). Предполагается, что устройство ниш и камер выполняют по мере продвижения забоя 1 и бетонирования обделки 2, передвижная опалубка для которой оснащена съемными формами для образования в стенах проемов. Под графиком помещают основные данные о тоннеле, имеющие значение для разработки проекта производства работ.

Проведя прямую, параллельную оси абсцисс, секущую график, можно установить распределение отдельных работ по длине тоннеля в соответствующий момент времени и определить число рабочих, занятых их выполнением. Откладывая полученные величины влево от оси ординат, строят график потребности в рабочей силе для основных ра­бот в различные периоды строительств. Правильному планированию соответ­ствуют нарастание потребности в рабо­чей силе по мере развертывания работ, стабильность состава рабочей силы во время одновременного ведения всех ос­новных работ и затем убывание в пе­риод завершения строительства.

Кроме графиков производства работ и движения рабочей силы, строят графики потребности в энергии и основных материалах, получаемые из сопостав­ления графика производства работ и потребности в этих ресурсах для каж­дого из производственных процессов.


Глава 7

РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ПОДКОВООБРАЗНОГО ОЧЕРТАНИЯ


7.1. Нагрузки и упругий отпор грунта

Конструкции подземных сооружений рассчитывают на наиболее невыгодные (основные и особые) сочетания нагрузок и воздействий.

О с н о в н ы е с о ч е т а н и я вклю­чают: собственный вес конструкции, гор­ное и гидростатическое давление, дли­тельно действующие временные нагруз­ки и факторы (колебания температуры, ползучесть и усадка бетона, морозное пучение грунтов), кратковременные на­грузки от наземного и внутритоннельного транспорта, а также воздействия, возникающие в процессе сооружения тоннеля (от давления щитовых домкратов, нагнетания раствора за обделку, веса оборудования и материалов).

О с о б ы е с о ч е т а н и я состоят из постоянных нагрузок, наиболее вероятных временных и одной из особых (сейсмической или другой) нагрузок или воздействий.

Наибольшее практическое значение имеет расчет на основное сочетание нагрузок и воздействий. На другие сочетания обычно производят лишь проверку.

Нормативное горное давление определяют согласно указаниям СниП II-44-78 и СниП 32-04-97 в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий заложения тоннеля.

Нормативное гидростатическое давление на водонепроницаемую обделку определяют ее положением относительно свободного уровня грунтовых вод или пьезометрического уровня напорных вод.

Так как оно может улучшать статическую работу обделки, необходимо иметь в виду возможность понижения уровня подземных вод, например, при разработке выработок вблизи тоннеля.

В особые сочетания нагрузок входят также сейсмические воздействия, учет которых определяется сейсмичностью района строительства.

Нормативные строительные нагрузки принимают в соответствии с конкретны­ми характеристиками используемого при ' сооружении тоннеля оборудования (вес агрегатов, предельное давление нагнетания, давление сжатого воздуха, усилия, число и расположение щитовых домкратов).

Расчетные нагрузки получают умножением нормативных нагрузок на коэффициенты перегрузки n, значения которых принимают согласно СНиП 32-04-97 с учетом характера влияния данной на­грузки на работу конструкции.

Тоннельные обделки, сооружаемые горным или щитовым способом, явля­ются конструкциями распорного типа, работающими в упругой среде. Зазор между обделкой и стенами выработки, образующийся в процессе производства работ, плотно заполняется цементным раствором, нагнетаемым под значитель­ным давлением (до 0,4 Мпа). Это обес­печивает совместность деформаций обделки и грунта и дает возможность рассматривать конструкцию и окружаю­щую среду как единую упругую систе­му.

Под действием внешних активных на­грузок тоннельная обделка (рис. 7.1.) деформируется, изменяя свое положе­ние относительно контура выработки. На той части контура, где перемещения обделки происходят в сторону выработки, обделки 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. Первые работы, основанные на рас­смотрении упругого взаимодействия тон­нельной обделки и подземной выработки, принадлежат проф. С. С. Давыдову. опубликовавшему еще в 1934—1935 гг. методику расчета обделки с массивны­ми вертикальными стенами.

В настоящее время необходимость расчета тоннельной обделки как кон­струкции, работающей совместно с ок­ружающей ее упругой средой, общепризнанна. Для возможности определения усилий в такой обделке необходимо ус­тановить зависимость между напряже­ниями  и радиальными деформациями и на контуре выработки.

В соответствии с экспериментальными данными при изменении давления на грунт в небольших пределах наблюда­ется линейная зависимость между на­пряжениями и деформациями. В случае подземных сооружений давление на грунт по контуру выработки изменяет­ся от первоначального давления, опре­делявшегося весом вышележащих плас­тов, до давления, создаваемого конст­рукцией, т. е. сравнительно в неболь­ших пределах. Это дает право применять для исследования напряженного состоя­ния грунтов, расположенных вокруг выработки, методы теории упругости независимо от того, обладают грунты упругими свойствами или не обладают ими, что обосновано работами проф. Н.М. Герсеванова. Такую среду обычно принято называть линейно деформируе­мой. Ее способность деформироваться характеризуется модулем Е_о общей де­формации и коэффициентом μ_о попе­речной деформации, получаемыми из эксперимента в выработке данного раз­мера с учетом степени трещиноватости грунтов.

Теория общих деформаций, основанная на рассмотрении грунтов как линейно-деформируемой среды и применении ме­тодов теории упругости, дает наиболее правильное представление о деформа­циях контура подземной выработки. Од­нако ее применение в случае выработок сложного очертания представляет зна­чительные трудности. Зависимость меж­ду напряжениями и деформациями на контуре получена лишь для круговой выработки канд. техн. наук С. А. Ор­ловым. Для выработок подковообраз­ного очертания, имеющих наибольшее распространение при строительстве тон­нелей горным способом, достаточно обос­нованные решения этой задачи отсутст­вуют.

Поэтому в практике проектирования обычно пользуются теорией местных де­формаций, базирующейся на предло­женной Винклером гипотезе о прямой пропорциональности между напряже­ниями σ (кПа) и деформациями и (м):

σ =к u

где к – коэффициент упругого отпора грунта, кН/м³

Согласно этой гипотезе нагрузка вызывает осадки поверхности лишь в точке ее приложения (местные деформации). В действительности при рассмотрении среды как линейно-деформируемой нагрузка, приложенная на любой площадке вызывает осадки всей поверхности упругого массива (общие деформации).

Коэффициент упругого отпора не яв­ляется физико-механической характе­ристикой грунта, так как зависит не только от его свойств, но и от целого ряда трудно учитываемых факторов (фор­мы и размеров площади основания, ин­тенсивности нагрузки, условий залега­ния грунтов, жесткости конструкции).

Таким образом, теория местных де­формаций довольно несовершенно отра­жает существующую зависимость между напряжениями и деформациями загру­женной поверхности. Тем не менее ос­нованные на ней методы статического расчета вследствие их простоты и на­глядности получили широкое распрост­ранение.

Для некоторых частных случаев кон­струкций и нагрузок коэффициент упругого отпора может быть выражен через физико-механические характеристики Е_о и μ_о и размеры выработки по форму­лам, полученным на базе теории общих деформаций.

В остальных случаях при проектиро­вании пользуются данными, изменяю­щимися в широких пределах (см., на­пример. СНиП П -40-80. табл. 12).


7.2. Основные расчетные схемы монолитных тоннельных обделок

Монолитные тоннельные обделки яв­ляются статически неопределимыми кон­струкциями, обычно обладающими зна­чительной жесткостью. 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 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, опирающийся на грунт. Прос­тейшей тоннельной обделкой является свод, опертый непосредственно на сте­ны выработки (рис. 7.2.) Подъем таких сводов, как правило, невелик по срав­нению с величиной пролета. В резуль­тате деформации под нагрузкой боль­шая часть наружного контура свода вы­ходит из контакта с упругой средой. Поэтому свод можно рассматривать как кривой брус с пятами, упруго заделан­ными в грунт, т. е. имеющими возможность поворота и смещения по касательной к оси свода. Радиальные сме­щения пят исключаются из-за наличия в пятовых сечениях значительных сил трения.

Свод в упругой среде. При деформации под нагрузкой верхняя часть свода под­ковообразной обделки (см. рис.7.1) вы­ходит из упругого контакта с окружаю­щими грунтами и смещается внутрь вы­работки. На остальном протяжении об­делка вдавливается в грунт, вызывая со стороны его упругий отпор, пропор­циональный радиальным деформациям, и силы трения между грунтом и поверх­ностью обделки. Подошвы стен не сме­шаются по горизонтали из-за значитель­ных сил трения, но имеют возможность оседать по вертикали и поворачиваться относительно точки а, лежащей в их уровне.

Напряженное состояние обделки в сильной степени зависит от значения и характера распределения упругого от­пора. Положение верхних границ эпю­ры отпора, характеризуемое централь­ным углом 2φ_о задается в соответствии с опытом проектирования тоннельных кон­струкций в аналогичных условиях или выявляется в ходе расчета на ЭВМ.

Распределение упругого отпора по контуру обделки зависит от многих факторов, в том числе от упругости ок­ружающей среды, жесткости обделки и характера действующих на нее нагру­зок и носит сложный характер. Наибо­лее правильный метод — выявить рас­пределение упругого отпора расчетом, рассматривая часть обделки, упруго взаимодействующую с грунтом как кри­волинейный брус переменной жестко­сти на упругом основании. В качестве расчетной схемы целесообразна дискрет­ная модель, позволяющая удобнее ис­пользовать ЭВМ. Непрерывное упругое основание заменяется достаточно часто расположенными упругими опорами с эквивалентными упругими свойствами (рис.7.3., а). На участке контура, соот­ветствующем упругой опоре, интенсив­ность упругого отпора принимают пос­тоянной.

Такая расчетная схема возможна так­же и в случае опирания верхнего свода на вертикальные стены постоянного се­чения (рис. 7.3., б). При этом достиже­ние необходимой точности расчет при малой жесткости стены требует более час­той постановки упругих опор, что при применении ЭВМ не повышает трудо­емкости вычислений.

Обделка замкнутого очертания в упру­гой среде. В обделках замкнутого очертания стены жестки связаны концами обратного свода, покоящегося на упру­гом основании. И в этом случае определе­ние усилий в конструкции наиболее це­лесообразно производить, заменяя сплошную упругую среду упругими опо­рами на всем контуре взаимодействия обделки с грунтом (рис.7.4). При этом следует иметь в виду, что такая расчет­ная схема реализуется, если обделку бетонируют, начиная с обратного свода, например, в слабых грунтах, на которые невозможно опирать стены, или в скальных грунтах, где иногда обратный свод бетонируют в первую очередь с целью обеспечении надежного основания для перемещения инвентарных опалубок (в гидротехнических тоннелях).

В устойчивых грунтах в первую оче­редь, как правило, бетонируют верхнюю подковообразную часть обделки. Об­ратный свод сооружают после того, как верхний свод достиг проектной прочно­сти и за него произведено нагнетание цементно-песчаного раствора, обеспечи­вающего совместную работу обделки с грунтом.

Деформации обратного свода, соору­жаемого позднее и подвергающегося меньшим нагрузкам, чем верхняя часть обделки, не могут существенно повлиять на условия в наиболее напряженном верхнем своде. Поэтому верхнюю часть обделки рассчитывают без учета обрат­ного свода (см. рис.7.3.), а обратный свод рассматривают как шарнирно опер­тый на стены под действием передающих­ся непосредственно на него нагрузок (нагрузки от выпирания из-под стен в песчаных н глинистых грунтах, гидро­статическое давление, если водонепрони­цаемость обратного свода обеспечена).


7.3. Расчет подковообразной обделки с заменой упругой среды упругими опорами

Тоннельная обделка, работающая совместно с окружающей упругой средой, представляет собой сложную много­кратно статически неопределимую кон­струкцию. Точный ее расчет для обдел­ки произвольного очертания и перемен­ной жесткости практически невыполним, тем более что упругая среда взаимо­действует с обделкой лишь на тех участках контура выработки, где конструк­ция смещается в сторону грунта. По­этому для определения усилий в сече­ниях обделки обычно пользуются приб­лиженными методами, возможности при­менения которых сильно возросли с внедрением в практику проектирования ЭВМ.

Наибольшее распространение имеет способ, предложенный в 1936 г. инже­нерами Метропроекта, основанный на преобразовании заданной системы в рас­четную введением следующих допуще­ний (рис.7.5.):

плавное очертание обделки заменяют ломанным (вписанный многоугольник), непрерывное изменение жесткости об­делки — ступенчатым, причем на протя­жении каждой из сторон многоугольни­ка жесткость обделки принимают пос­тоянной;

распределенные активные нагрузки, действующие на обделку, заменяют уси­лиями, приложенными в вершинах мно­гоугольника;

сплошную упругую среду заменяют отдельными упругими опорами, поме­шенными в вершинах вписанного мно­гоугольника и расположенными пер­пендикулярно наружной поверхности обделки. При учете сил трения между обделкой и грунтом опоры отклоняются вниз на угол трения. Это равносильно допущению, что интенсивность упругого отпора на участке, соответствующем длине упругой опоры (расстоянию меж­ду серединами сторон вписанного мно­гоугольника, примыкающих к опоре), является постоянной, т. е. эпюра уп­ругого отпора имеет ступенчатую форму.

Протяжение зоны возникновения уп­ругого отпора характеризуется значе­нием угла 2φ₀, безотпорного участка, изменяющегося обычно от 90 до 150°.

При преобладании вертикальных на­грузок силы трения. возникающие в подошве обделки, обычно превышают усилия, стремящиеся сместить низ сте­ны в горизонтальном направлении. Не­возможность этого смещения учитыва­ется введением горизонтальной жесткой опоры в уровне подошвы стены.

Увеличение числа упругих опор умень­шает отклонение расчетной схемы от действительной и повышает точность расчета.

Для статического расчета системы, об­ладающей большой степенью подвижно­сти узлов (опоры не жесткие, а упру­гие), наиболее целесообразно применять метод сил, дающий наименьшее количест­во лишних неизвестных. В качестве ос­новной системы принимают шарнирную цепь. получающуюся в результате введе­ния шарниров в местах упругих опор и в замковом сечении обделки (рис.7.6).

При симметрии обделки и действую­щих на нее нагрузок относительно вер­тикальной оси в качестве лишних неиз­вестных рассматривают парные изги­бающие моменты в симметричных шар­нирах.

Неизвестные определяют решением ка­нонических уравнений, каждое из кото­рых отрицает возможность перемеще­ния по направлению удаленной связи (равенство нулю угла взаимного пово­рота сечений стержней, сходящихся в шарнире).

Канонические уравнения имеют вид

0. М₀δ₀₀ + М₁δ₀₁ + М₂δ₀₂ +…+М_nδ_0n + Δ_0p = 0;
   
1. М₀δ₁₀ + М₁δ₁₁ + М₂δ₁₂ +…+М_nδ_1n + Δ_1p = 0;
   
2. М₀δ₂₀ + М₁δ₂₁ + М₂δ₂₂ +…+М_nδ_2n + Δ_2p = 0;
   

…………………………………………………

n. М₀δ_n0 + М₁δ_n1 + М₂δ_n2 +…+М_nδ_n2 + M_n(δ_nn + γ_п) – Δ_np = 0.


где δ_ik — перемещении основной сис­темы по направлении неизвестных М_i , от дей­ствия соответственно парных единичных мо­ментов, преложенных точках К, от на­грузок; γ_п=1/k_п I_п – угол поворота подош­вы стены под действием единичного момента;

I_п=(bh³_п) / 12 — момент инерции подошвы стены: h_п — высота сечения подошвы стены; k_п — коэффициент упругого отпора основании стены.

Перемещения основной системы опре­деляют по общей формуле строительной механики, преобразованной в соответ­ствии со стержневым характером систе­мы:

δ; (7.1.)

где М_i и N_i — изгибающие моменты и нор­мальные силы в основной системе от действия парных единичных моментов, приложенных в точках i; M_е и N_е — то же от действия пар­ных единичных моментов, приложенных в точ­ках I, F, а_m — соответственно момент инер­ции, площадь сечения и длина m-го стержня основной системы.

Первый член формулы (7.1) учитывает влияние на размер перемещений изгиба стержней, второй член — влияние об­жатия стержней нормальными силами. Обжатию подвергаются как стержни, входящие в

состав многоугольника, так и упругие опоры. Поэтому второй член формулы необходимо преобразовать для возможности учета осадок упругих опор. Входящее в формулу выражение равно продольной деформации стержня сечением F_m н длиной a_m от действия единичной силы.

Осадка упругой опоры может быть получена следующим образом. Опора воспринимает отпор грунта с площади, равной произведению ширины b коль­ца обделки на длину постели опоры, ко­торая равна полусумме расстояний до соседних опор, измеренных по наруж­ной поверхности обделки. Достаточно точные результаты можно получить. приняв длину постели опоры равной дли­не a_m стороны многоугольника.

Единичная сила вызывает напряже­ние грунта под опорой осадку опоры:



где k_m — коэффициент упругого отпора (пожег быть переменным по контуру обделки); D_m=k_mba_m — характеристика жесткости опоры, которая может быть различной дли разных опор в связи с изменением коэффициен­та упругого отпора.

Длины стержней многоугольника на участке размещения упругих опор це­лесообразно принимать постоянными.

Подставляя полученное выражение для осадки опоры от единичной силы получим развернутую формулу для определения перемещений основной системы с учетом изгиба, обжа­тия стержней и осадки упругих опор:



R_i и R_k — усилия в опоре основной си­стемы от действия парных единичных момен­тов, приложенных соответственно в точках i и k.

Для определения грузовых перемеще­ний усилия M_k , N_k , R_k заменяют усилиями M_p , N_p , R_p в основной систе­ме от действия нагрузок.

Наибольшее влияние на размер пере­мещений основной системы оказывают изгиб стержней и осадка опор. Роль обжатия стержней нормальными сила­ми возрастает с увеличением коэффици­ента k упругого отпора и с уменьшением площади F поперечного сечения обдел­ки. Практически при расчете подъемис­тых подковообразных обделок с криво­линейными стенами, имеющих наиболь­шее распространение в мягких и неус­тойчивых грунтах, можно не учитывать влияние обжатия и определять переме­щения по двучленной формуле.

Пренебрежение влиянием обжатия вы­зывает некоторое уменьшение изгибаю­щего момента в наиболее напряженном замковом сечении обделки. Однако если наряду с этим не учитывать трение меж­ду обделкой и грунтом, которое произ­водит противоположное действие, за­пас прочности конструкции не уменьша­ется.

Усилия в основной системе от нагруз­ки н единичных моментов (рис.7.7) определяют путем последовательного выре­зания узлов шарнирно-стержневой цепи, на которую опирается трехшарнирная арка. с рассмотрением условий их рав­новесия. Моменты в узлах представля­ют в виде пар с плечами, равными дли­нам сторон между упругими опорами. Первый индекс у символа, обозначаю­щего усилие, указывает номер стержня, в котором оно возникает, второй индекс — причину, вызвавшую усилие. Такой причиной могут быть внешняя нагрузка (рис.7.7а) или парные единич­ные моменты в симметричных точках основной системы (рис. 7.7 б). За поло­жительные обычно принимают моменты, вызывающие растяжение внутренних волокон обделки, и сжимающие усилия.

Поперечную силу |Q|=, вызванную действием единичного момента в узле, считают положительной, если она вра­щает примыкающий к узлу стержень по часовой стрелке; узловые нагрузки принимают положительными, если их направление соответствует показанному на рис. 7.7,а

Усилия в элементах основной системы изображают в соответствии с принятыми обозначениями и знаками на развертке полуоси обделки. Для расчетной схемы, показанной на рис. 7.5, такая таблица приведена на рис. 7.8.

Прежде чем перейти к определению перемещений, необходимо убедиться в правильности определения усилий в ос­новной системе. Очевидно, что если приложить единичные моменты сразу по направлению всех неизвестных, то основная система окажется в состоянии чистого изгиба и поперечные силы в ее сечениях обратятся в нуль. Следовательно, будут равны нулю также нормальные силы и реакции упругих опор. Это обстоятельство используют для проверки правильности определения усилий в основной системы от единичных моментов.

При суммировании усилий всех единичных состояний основной системы должны соблюдаться равенства:



Правильность определения усилий в основной системе от действия нагрузок контролируется путем вырезания час­тей системы с проектированием на оси координат соответствующих усилий.

Для проверки правильности вычисле­ния перемещений основной системы оп­ределяют контрольные перемещения , получающиеся сопряжением по формуле (7.2) суммарного состояния s с самим собой н с грузовым состоянием Р. Так как состояние s суммирует все единичные состояния, должны соблю­даться следующие равенства:

(7.3)


где w_mp — площадь эпюры моментов от нагрузки на стержне основной системы.

Изгибающие моменты в замковом се­чении обделки и местах упругих опор получаются непосредственно из решения канонических уравнений. Моменты в се­чениях трехшарнириой арки, реакции опор и нормальные силы в стержнях обделки могут быть найдены суммирова­нием следующих усилий, вызываемых в основной системе нагрузками и мо­ментами в шарнирах (см.рис.7.8).

(7.4.)

Получение растягивающего усилия R₁<0 в верхней опоре означает, что протяжение зоны упругого отпора при­нято преуменьшенным. В этом случае расчет должен быть повторен с умень­шенным числом упругих опор. Интен­сивность отпора грунта постоянна на протяжении длины упругой опоры (рис.7.9а). При ширине кольца b =1 м



Полученная эпюра отпора имеет сту­пенчатый характер, а действительная эпюра — плавный (рис. 7.9, б). Для уточнения расчета может быть исполь­зовано найденное графически значение угла безотпорного участка.

Окончательные нормальные силы в вершинах многоугольника равны полу­суммам нормальных сил в примыкаю­щих к вершинам стержнях.

Результаты расчета контролируют про­веркой равновесия отдельных частей обделки и определением перемещений, значения которых равны нулю или свя­заны с усилиями в стержнях простыми соотношениями.

Наиболее часто проверяют взаимный угол поворота стержней, сходящихся в одной из вершин многоугольника.

Для подковообразной обделки с уп­ругой заделкой пят этот угол в замковом сечении



Изложенный метод является универ­сальным и применим для расчета под­земных конструкций любого очертания с изменяющимися на контуре обделки упругими характеристиками. Его при­менение связано со значительным объе­мом вычислительной работы, которая не может быть облегчена применением гра­фиков или таблиц ввиду индивидуаль­ного характера тоннельных конструк­ций.

Следует, однако, отметить, что про­стота построения метода делает его весь­ма удобным для использования ЭВМ, позволяющих применять расчетные схе­мы с большим числом упругих опор, чем обеспечивается высокая точность расчета при сравнительно небольшой затрате машинного времени.


7.4. Проверка прочности сечений бетонной обделки

Прочность предварительно заданных сечений монолитной бетонной обделки проверяют в соответствии с указаниями СНиП П-32-04-97 и СНиП 2.03.01-84. Напряжения в сечениях не должны пре­вышать расчетных сопротивлений, зна­чения которых для тяжелых бетонов ос­новных классов (с учетом коэффициента условий работы m₁=0,9) приведены в табл. 1.

При расчете необходимо дополнитель­но вводить коэффициенты условий рабо­ты, учитывающие неточность назначения расчетной схемы (m_=0,9) и пони­жение прочности бетона при отсутствии наружной гидроизоляции на обводнен­ных участках (m₂=0,9).

При расчете элементов обделки, бе­тонируемых в вертикальном положении (стены), к значениям R_b дополнительно вводят коэффициент условий работы, равный 0,85.

Эксцентриситет e_o приложения нор­мальной силы в сечении обделки опре­деляют из статического расчета, но для проверки прочности принимают не ме­нее значения случайного эксцентриси­тета, равного 1/30 высоты сечения. В расчетные формулы для внецентренно сжатых бетонных сечений обычно вво­дят эксцентриситет, увеличенный за счет влияния прогиба стержня. Тон­нельные обделки опираются на контур выработки по всему периметру и нахо­дятся в благоприятных условиях в от­ношении потери устойчивости. Поэтому в дальнейшем влияние прогиба на экс­центриситет не учитывают.

Предельное сжимающее усилие в се­чении обделки, возводимой в необводнен­ных грунтах или при наличии наружной гидроизоляции для бетонов до В40,

N_п =m₁b(h - 2e₀)R_b

При этом значение эксцентриситета не должно превышать 0,45 h, а раскры­тие трещин — 0,2 мм.

При значительных эксцентриситетах возникают растягивающие напряжения. Трещинообразование в бетонных обделках, возводимых в обводненных грунтах без устройства гидроизоляции, не допускается. Поэтому предельное сжимающее усилие, соответствующее началу разрыва бетона у растянутой грани сечения, определяют с учетом со­противления растянутой зоны:



Если прочность сечения недостаточна, т. е. N>N_n , то в конструкцию должны быть введены коррективы, к которым относятся повышение класса бетона, ар­мирование растянутой зоны сечения. увеличение его высоты или изменение очертания свода.

Повышение класса бетона нецелесооб­разно, так как обычно большая часть обделки работает на внецентренное сжа­тие с малыми эксцентриситетами и недонапряжена. Армирование осложняет процесс бетонирования.

Лучшим решением является увеличе­ние подъемистости верхней части свода с приближением оси обделки к кривой давления от действующих нагрузок. Од­нако при применении стандартного обо­рудования для бетонирования обделки (передвижные опалубки) такое решение неприемлемо. В этом случае более це­лесообразно увеличение высоты сечения в замке, которое вызывает некоторое увеличение изгибающего момента, но позволяет сохранить стандартное внут­реннее очертание конструкции.


Т а б л и ц а 7.1.

Вид сопротивления	Обозначение	Классы бетонов
		В20	В25	В30	В35	В40
Сжатие осевое (призменная прочность) Растяжение осевое	Rb Rbt	10,4 0,81	13,0 0,95	15,3 1,08	17,5 1,17	19,8 1,26