Пояснительна записка (Проект подводного железнодорожного однопутного тоннеля), страница 4

Рисунок 4.8 – Эпюра усилий от горного давления в сечении Б.

Рисунок 4.9 – Эпюра усилий от наружного давления грунтовых вод в сечении А.

Рисунок 4.10 – Эпюра усилий от наружного давления грунтовых вод в сечении Б.

Рисунок 4.11 – Эпюра суммарных усилий в сечении А.

Рисунок 4.12 – Эпюра суммарных усилий в сечении Б.

Вывод: исходя из выше приведенных суммарных усилий в сечениях А и Б, для дальнейшего расчета на прочность сечения тюбинговой чугунной обделки и соединительных болтов принимаются наибольшие усилия, сформировавшиеся в сечениях тоннельной обделки на участке Б.

4.4. Проверка прочности сечения чугунной тюбинговой тоннельной обделки.

Прочность сечения проверяется на максимальный положительный и отрицательный моменты по формуле:[4]

, (4.26)

где N и M – усилия в сечении кольца;

А и I_O-O – площадь и момент инерции рабочего сечения тюбинга;

у – расстояние от нейтральной оси до соответствующей кромки сечения;

R – расчетное сопротивление чугуна сжатию или растяжению.

а) Расчет на действие положительного максимального момента:

-запас

б) Расчет на действие отрицательного максимального момента:

-условие выполняется

-запас

в) Проверка достаточности толщины оболочки выполняется по формуле:

(4.27)

-условие выполняется

В результате расчета было установлено, что размеры тюбинга достаточны для восприятия нагрузок, действующих на тоннельную обделку.

4.5. Проверка прочности соединительных болтов.

Расчетная схема показана на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 – Расчетная схема для определения усилий в болтах в упругой стадии работы.

(4.28)

где N – усилие в болте;

А_б – площадь сечения болта;

R_bt – расчетное сопротивление болтовой стали на растяжение.

При действии положительного максимального момента стык стремится раскрыться изнутри кольца с поворотом вокруг точки О₁. Усилия, приходящиеся на болты внутреннего и наружного рядов, принимаются пропорциональными плечам до точки О₁. Тогда усилие в болте наиболее напряженного внутреннего ряда определится по формуле[4]:

(4.29)

При действии отрицательного максимального момента стык стремится раскрыться снаружи кольца с поворотом вокруг точки О₂. Так как плечо внутреннего ряда болтов до точки О₂ мало, этот ряд болтов в запас прочности из работы исключается. Тогда усилие в болте наружного ряда определится по формуле:

(4.30)

Принимаем два болта М28, сталь марки Ст3 R_bt=17 кН/см².

(4.31)

В результате выполненного расчета установлено, что принятого количества болтов диаметром 28мм достаточно для восприятия действующих усилий.

5. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЩИТА.

5.1. Выбор типа щита.

Щитовой метод проходки применяется при сооружении тоннелей в неблагоприятных инженерно – геологических условиях:

• в мягких песчано-глинистых грунтах;

• в неустойчивых сыпучих и водонасыщеных породах;

• в сильно трещиноватых скальных породах.

Щитовая проходка осуществляется при помощи специального агрегата – проходческого щита, представляющего собой передвижную металлическую крепь, под защитой которой производится разработка забоя и возведение обделки тоннеля.

В передней части щита ведётся разработка и погрузка породы, а в хвостовой – возведение обделки. Щит передвигается при помощи гидравлических домкратов, упирающихся в торцевую плоскость обделки, собираемой под защитой оболочки щита. [6]

Для проходки тоннеля в скальных грунтах, с коэффициентом крепости f=2,5 принимаем щит с грунтовым пригрузом. Конструктивная схема щита приведена на рисунке 5.1.

Рис.5.1. Конструктивная схема щита.

1 – ножевое кольцо; 2 – опорное кольцо; 3 – щитовой домкрат; 4 – хвостовая оболочка; 5 – шнек; 6 – тоннельная обделка из чугунных тюбингов; 7 – первичное нагнетание за обделку; 8 – привод режущей головки; 9 – тюбингоукладчик; 10 – вентиляция; 11 – грунтовый пригруз ; 12 – шарошки.

5.2. Конструирование щита.

При установлении геометрических размеров требуется определить диаметр и длину щита.

Наружный диаметр щита определяется по формуле[6]:

(5.1)

где - внешний диаметр обделки =9,5(м)

- величина строительного зазора между внутренней поверхностью оболочки щита и наружным контуром обделки, принимается равным:

=0,06 (м)

- толщина оболочки щита, определяемая по графику, =0,04 (м)

D_щ=9,5+0,06+20,04=9,64 (м)

Полная длина щита складывается из длины ножевого кольца , длины опорного кольца и длины свободной части оболочки :

, (5.2)

где =1,5 (м)

где - ширина кольца равная =1 (м)

(5.3)

где - длина перекрытия обделки =2,5b=2,51 =2,5 (м)

- длина выступающей части домкрата

- длина свободного промежутка между опорной площадкой плунжера и плоскостью кольцевого борта обделки

Таким образом, длина щита составит:

Отношение длины щита к его длине показывает маневренность . Для больших немеханизированных щитов этот показатель равен, М=0,45-0,47. Для механизированных щитов, как правило, этот показатель больше и находится по формуле[6]:

(5.4)

Внутренний диаметр щита на протяжении свободной длины оболочки равен:

(5.5)

В пределах опорного кольца:

(5.6)

где - высота сечения сегмента опорного кольца равная =0,52 (м).

Горизонтальные и вертикальные перегородки ставятся конструктивно с таким расчётом, чтобы высота образовавшихся колебалась в пределах , а расстояние между вертикальными перегородками составляло бы . [6]

Тогда необходимое количество ярусов определится из отношения[6]:

5.3. 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[6]:

(5.7)

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[6]:

(5.8)

где - вертикальное давление породы.

Расчётные горизонтальные и вертикальные давления равны:

определяется по формуле[6]:

(5.9)

где - коэффициент трения чугуна по стали, =0,2;

- вес обделки, лежащей на оболочке щита.

Отсюда значение равно:

Суммарное значение будет равно[6]:

(5.10)

Полное расчётное усилие щитовых домкратов составит[6]:

(5.11)

где - коэффициент запаса равный .

Соответственно усилие одного домкрата составит[6]:

(5.12)

где - число щитовых домкратов, назначаемое с учётом равномерной передачи давления от опорной площадки плунжера на блоки тоннельной обделки, n = 16 шт.

.

В итоге, принятый проходческий комплекс необходимо оснастить 16-ю гидравлическими домкратами с усилием 120 т.

5.4. Расчёт оболочки щита на прочность.

Расчёт оболочки щита на прочность производится на вертикальное и горизонтальное давление горных пород, как кольца в податливой среде. При этом расчёт может быть произведён без учёта влияния вертикальных и горизонтальных перегородок, т.е. как тонкостенного цилиндра.

Статическим расчётом определяются изгибающие моменты и нормальные силы в сечениях щита, после чего вычисляются напряжения в сечениях с наибольшими изгибающими моментами и нормальными силами.

При определении нагрузки учитывают её большее значение, т.е. сравнивая давление по гипотезе М.М. Протодьяконова и давление от всей толщи грунта.

В расчёте необходимо проверить несколько сечений щита, которые находятся в .

Расчётная схема представлена на рис.4.2.[6]

Рис.5.2. Расчетная схема для определения нагрузок.

Проверка прочности сечений щита производится по формуле для внецентренного приложения усилий:

(5.13)

где - напряжения в проверяемом сечении;

- усилия изгибающего момента и нормальной силы;

- площадь поперечного сечения щита;

- момент инерции кольцеобразного сечения;

- расчётное сопротивление материала щита, принимается равным

Значение усилий изгибающих моментов и нормальной силы в сечениях проходящих через будет различно. [6]

Поэтому в начале проверим сечения проходящие через

Максимальное вертикальное давление равно:

• Сечение .

Изгибающий момент определяется по формуле[6]:

(5.14)

- распределённая нагрузка, действующая на щит, определяется по формуле:

(5.15)

где - длина щита равная =6,35 (м).

- наружный радиус щита =4,82 (м).