ВКР Поплавский ПЗ (Проект подводного однопутного железнодорожного тоннеля), страница 6

Можно сделать вывод, что при правильном выборе исходных данных с учетом инженерно-геологического обоснования, а именно учете взаимодействия обделки с грунтов через отпор грунта при условии залегания подземного сооружения в скальных и полускальных породах и задании верных расчётных параметров грунтовых условий при численном моделировании, значения полученных при расчете усилий не должны иметь большое расхождение.

Для дальнейших прочностных расчётов будут использоваться значения усилий, полученные при помощи ПК Midas GTS NX 2016, так как геотехническое моделирование это наиболее современный способ расчета строительных конструкций, при котором в учет берутся грунтовые модели, характеристики для которых следует определять в лабораторных условиях, а следовательно приблизиться к наиболее реальному взаимодействию подземного сооружения с окружающим его горным массивом.

Выгоднее усилия получаются для первого типа тоннельной обделки тоннеля, но строительная стоимость обделки Тип 2 меньше стоимости обделки тип 1 на 5,71 %, ввиду высокой стоимости используемого материала (чугун СЧ-20), трудоёмкость меньше (1781 ч.-д. меньше 1939 ч.-д.), ввиду меньшего количества элементов обделки и болтовых связей.

Исходя из вышеизложенного, принимаем для дальнейшего расчета и разработки второй тип обделки.

4.5 Проверка прочности тоннельной обделки

Ввиду примерного равенства положительных и отрицательных моментов, и в целях упрощения технологии сооружения арматурного каркаса принимаем принцип симметричного армирования.

Произведём расчёт блока тоннельной обделки как внецентренно сжатого элемента прямоугольного сечения согласно [8].

Схема возникающих усилий в прямоугольном сечении железобетонного блока приведена на рис. 4.15.

Рис. 4.15 – Схема возникающих усилий в прямоугольном сечении железобетонного блока

Для армирования блоков примем по 7 стержней в растянутой и сжатой зонах диаметром 18 мм из арматуры класса А400.

Значение эксцентриситета e вычисляется по формуле:

(4.13)

где – расчетный эксцентриситет силы N относительно центра тяжести рабочей арматуры растянутой зоны, определяемый по формуле:

(4.14)

h – высота поперечного сечения блока , h=0,4 м;

– расстояние от крайнего сжатого волокна до центра тяжести сжатой арматуры, м;

– коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле:

(4.15)

где – условная критическая сила при центральном сжатии, определяемая по формуле:

(4.16)

где E_b – начальный модуль упругости бетона, для бетона B45, МПа;

A – площадь поперечного сечения элемента, м²;

l₀ – расчетная длина элемента, определяемая для сборных обделок по формуле:

(4.17)

где S – длина элемента по его расчётной оси, для нормального блока S=3,665 м.

Таким образом:

Соответственно коэффициент продольного изгиба будет равен:

А расчетный эксцентриситет:

Далее расчёт производится в зависимости от значения относительной высоты сжатой зоны и ее предельного значения , при котором значения напряжений в бетоне и арматуре одновременно достигают соответствующих расчетных сопротивлений:

(4.18)

(4.19)

где – относительная деформация растянутой арматуры при напряжениях, равных R_s, определяемая по формуле:

(4.20)

где – расчётное сопротивление арматуры растяжению, для арматуры A400 МПа;

– модуль упругости арматуры, для арматуры А400 МПа;

– относительная деформация сжатого бетона при напряжениях, равных , принимаемая по табл. 6.10 [8], .

Таким образом:

Как видно, полученные значения относительной высоты сжатой зоны меньше предельного значения . Следовательно, проверку прочности можно произвести по формуле:

(4.21)

Принятая площадь армирования удовлетворяет условию прочности с запасом, равным 23,5 %.

Армирование продольной арматурой производится конструктивно. Диаметр продольной арматуры принят 18 мм, а шаг принимается согласно требованиям [8].

4.6 Проверка сечения обделки на действие поперечной силы

Проверка производится согласно требованиям [8], по формуле:

(4.22)

где Q - поперечная сила в нормальном сечении элемента, кН;

– коэффициент, принимаемый равным 0,3;

– расчётное сопротивление бетона растяжению, для В45 кН/м²;

Проверка выполняется с 7 кратным запасом, однако конструктивно назначаем хомуты из арматурной стали А240, диаметром 10 мм, устанавливаемые, согласно требованиям [8].

Схемы армирования блоков представлены на чертеже №9.

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

В данном проекте предусмотрено применение механизированного проходческого щита. От его производительности и зависит главным образом производительность всего комплекса.

Помимо щита в состав комплекса входят породопогрузочные устройства, система транспортеров для выдачи грунта, подъемно-транспортное оборудование для подачи к щиту строительных материалов и изделий, укладчик тоннельной обделки, технологические тележки, подвижные платформы и другие транспортные средства.

Первоначальной задачей является определение типа используемого щита. Он зависит прежде всего от инженерно-геологических условий, в которых осуществляется проходка тоннеля, а также диаметра выработки. В данном проекте грунты с коэффициентом крепости f = 3 можно условно отнести к скальным грунтам средней крепости. В таких условиях наиболее рациональным является применение щитов с роторным исполнительным органом.

5.1 Определение геометрических размеров щита

При определении геометрических размеров требуется определить диаметр и длину щита.

Наружный диаметр щита определяется по формуле:

(5.1)

где – внешний диаметр обделки, м;

– величина строительного зазора между внутренней поверхностью оболочки щита и наружным контуром обделки, принимается равной 0,8 % от внешнего диаметра обделки, м;

– толщина оболочки щита, принимаемая м.

м.

Полная длина щита определяется по формуле:

(5.2)

где – ширина ножевого кольца, принимаемая м для размещения ротора и грунтопригрузовой камеры;

– ширина опорного кольца, принимаемая м, по условию размещения и надежного закрепления в нем щитовых домкратов и крепления шнека;

– длина хвостовой части оболочки, м.

Длина хвостовой части оболочки определяется по формуле

(5.3)

где – длина перекрытия обделки оболочкой, принимаемая равной ширине трёх колец обделки, м;

– расстояние между опорной плоскостью колодок втянутых штоков щитовых домкратов и торцовой плоскостью смонтированного кольца обделки, принимаемое м;

– длина части щитового домкрата, выступающей из опорного кольца, принимаемая м.

м.

Таким образом, длина щита составит:

м.

5.2 Определение сопротивления преодолеваемого щитом и подбор щитовых гидравлических домкратов

Расчёт сопротивлений производится для выявления необходимой мощности щитовых и забойных домкратов и учёта их влияния на несущую конструкцию щита. Полное сопротивление, преодолеваемое щитовыми домкратами, определяется по формуле:

(5.4)

где – сила трения между наружной поверхностью щита и породой;

– сила трения между наружной поверхностью обделки и внутренней поверхностью оболочки щита;

– лобовое сопротивление породы в забое щита, для механических щитов .

Перечисленные усилия вычисляются по формулам:

(5.5)

где – расчетное вертикальное давление породы, кН/м², см. таблицу 4.1;

– расчетное горизонтальное давление породы, кН/м², см. таблицу 4.1;

– коэффициент трения грунта по стали, равный ;

– вес щита, приближенно принимаем кН.

кН.

Сила определяется по формуле:

(5.6)

где – коэффициент трения бетона по стали, ;

– вес обделки, лежащей на оболочке щита, кН.

Отсюда значение равно:

кН.

Полное сопротивление будет равно:

кН.

Полное расчётное усилие щитовых домкратов составит:

(5.7)

где – коэффициент запаса равный .

кН.

Соответственно усилие одного домкрата составит:

(5.8)

где – число щитовых домкратов, назначаемое с учётом равномерной передачи давления от опорной площадки плунжера на блоки тоннельной обделки, принимаемое 21 шт.

Следовательно получаем:

кН.

Для разработки грунта применяем щит по типу ТПМК «Lovat RME» .

Технические характеристики данного ТПМК приведены в таблице Л.1 приложения Л.

5.3 Сооружение тоннеля щитовым способом

Проходка тоннеля предусматривается со стороны западного портала механизированным тоннелепроходческим комплексом по типу «Lovat RME», который представляет собой комплекс с системой грунтопригруза, способной поддерживать забой, уравновешивая давление грунта и воды, а также воздействовать на грунт посредством нагнетания химических реагентов (бентонитовой суспензии).

Для перемещения комплекса от места монтажа ТПМК и до ПК врезки устраивается железобетонное ложе с устройством пути из специальных рельсов.

По мере врезки ТПК в массив (заходками по 1 м) при помощи блокоукладчика монтируются кольца постоянной обделки. На участке с ПК портала по ПК врезки устанавливаются металлические стойки из  №30 и сооружается из бетона В25 обойма.

Проходка первых 100м выполняется с минимальным давлением на забой. Далее нагрузка постепенно увеличивается с доведением ее до расчетной.

В качестве подземного горизонтального транспорта используется рельсовый транспорт с колеей 900 мм. Путь из рельсов Р-33, смонтированных на деревянных шпалах с шагом 0,7 метра, которые устанавливаются в лоток тоннеля на щебёночную подготовку. На всем протяжении путь устраивается в двухколейном исполнении, лишь в непосредственной близости от ТПМК устраивается стрелочный перевод на однопутную колею. По мере проходки стрелочный перевод в зоне ТПМК постоянно перемещается.

Предусматривается использование следующего подвижного состава:

– вагон для доставки в забой блоков обделки;