Проектирование тоннельных конструкций

4.1 Выбор и обоснование конструктивных решений обделок.

Конструкции тоннельных обделок должны удовлетворять следующим требованиям: эксплуатационным, технологическим, экономическим. Для выполнения этих условий обделки проектируются следующим образом.

В слабых породах, в которых может появиться всестороннее горное давление, очертание конструкций должно приближаться к круговому. В породах, где появляется вертикальное и горизонтальное давление, свод и стены выполняются выпуклыми в сторону действия давления. В породах с вертикальным горным давлением, ось свода обделки выполняется криволинейной, а ось стены вертикальными. В слабых грунтах отступление от углов габарита может достигать 100-200 мм в связи с возможными осадками конструкции и особенностями технологии сооружения.

В устойчивых крепких грунтах отступление 5-10 мм, в слабых – 15-20 мм. Для всех случаев обделок материал - монолитный бетон.

Внутреннее очертание обделок автодорожных тоннелей описывается вокруг габарита приближения строений «Г». Габариты приближения строений и оборудования автодорожных тоннелей, располагаемых на прямых участках в плане и кривых радиусом более 1000 м, следует принимать по ГОСТ 24451 (рис.4.4).

Ширину проезжей части Г назначают в зависимости от категории дороги и длины тоннеля в соответствии с приведенной на рисунке таблицей

При наличии пешеходного движения могут дополнительно устраиваться тротуары (однополосные шириной 1000 мм или двухполосные шириной 1500 мм). При этом требуется понижать допускаемые концентрации окиси углерода в зависимости от времени пребывания людей в тоннеле.

При расположении тоннеля на кривой радиусом 700 м и менее проезжую часть уширяют. При радиусах кривых в пределах от 700 до 550, 500…450, 400…200, 200…150 и 125…90 м уширения соответственно назначают равными 0,40; 0,50; 0,60; 0,75; и 1,0 м.

Таким образом, в курсовом проекте принимаем:

Для прочности породы f=1,8 (гипс) принимается очертание обделки в виде трехцентровой коробовой кривой с обратным сводом.

Для прочности породы f=5 (песчаник сильнотрещиноватый) также принимается очертание обделки в виде трехцентровой коробовой кривой без обратного свода, но с более тонкими стенками.

Для прочности породы f=10 (песчаник крепкий) разработано два типа обделок: обделка в виде трехцентровой коробовой кривой и обделка из набрызг бетона толщиной стен 100мм и круговым очертанием свода.

Все типы обделок представлены на первом листе чертежей.

Сравнение объемов по типам обделок.

№ п/п

Наименование основных работ по сооружению тоннеля

Единица измерения

Тип I

Тип II

Тип III

Колич.

Колич.

Колич.

Объем выработки Объем монолитного бетона Объем набрызг-бетона Нагнетание р-ра за обделку

м3 м3 м2 м2

119.09 36.06 -

89.269 16.746 -

84.98 7.723 0.894

Итого:

Итого:

Итого:

4.2.Обоснования конструктивных решений порталов.

Переход от тоннеля к выемке осуществляется при помощи портала, который служит для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель.

В состав портала входит торцевая стена с входным отверстием, водоотводная канавка и первое кольцо обделки. Торцевая стена сваривается с первым кольцом обделки с помощью арматуры или обрезков прокатных профилей и опирается непосредственно на боковые откосы выемки, в которые заделывается на необходимую глубину.

Подошвы торцевой и боковых стен заглубляются относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания грунтов в их основании.

Вода, стекающая с лобового откоса, перехватывается поперечной водоотводной канавкой, расположенной за торцевой стеной, и отводится с уклоном 2‰ канавкой, устроенной по верху откосов выемки, или, в условиях теплого климата, в кюветы по чугунным трубам, заложенным за торцевой стеной.

Дно канавки располагается не ниже чем на 1,5м от верха тоннельной обделки для обеспечения слоя породы, достаточной для амортизации возможных ударов камней, скатывающихся с лобового откоса. Расстояние от низа лобового откоса до портальной стены принимаем 2,5 м, а парапет стены на 0,6 м выше канавки. Крутизну откоса предпортальной выемки назначают в зависимости от крепости грунта, при f = 1,8-1:0,5, при f = 5,0-1:0,3. Так как у нас f = 10, принимаем крутизну равной 1:0,3.

Конструкция портала показана на первом листе чертежей.

4.3. Дополнительные устройства в тоннеле.

Для хранения ремонтного оборудования через каждые 300 м по обеим сторонам автодорожного тоннеля вместо ниш сооружаются камеры длиной 6 м.

5. Определение несущей способности обделки

5.1 Определение нормативных и расчетных нагрузок

Исходные данные:

На участке с крепостью f=10 обделка свода из монолитного бетона, а стен из набрызг-бетона.

Основные геометрические размеры: высота H=3,4 м, толщина свода 0,400 м, ширина B=9,95 м.

Марка бетона 300(класс В20), расчетное сопротивление: на растяжение –10 кгс/см², на сжатие – 135 кгс/см².

Основные физико-механические характеристики горной породы: коэффициент прочности f=10, кажущийся угол внутреннего трения φ=75º, коэффициент упругого отпора к₀ =250 кгс/см ², объемная масса грунта γ=2,5 т/м³.

Определение нормативных и расчетных нагрузок.

Величину горного давления будем определять от веса отдельных вывалов кровли выработки.

где В – пролет выработки;

H - высота выработки;

h_в - высота свода;

\q_н - нормативное вертикальное горное давление;

Тогда справедливы следующие формулы:

Собственный вес обделки определится по формуле:

где G -вес сводчатой части обделки;

Определим расчётные нагрузки посредством умножения нормативных на коэффициенты перегрузки:

Коэффициент упругого отпора в сводчатой части выработки:

;

Коэффициент упругого отпора под пятой:

;

к_о =250 – коэффициент удельного отпора.

5.2 Выбор и обоснование расчетной схемы. Методика расчета.

Статический расчет обделки выполняется на ЭВМ по методу Метрогипротранса

. Этот метод предназначен для расчета конструкции произвольного очертания, расчетную схему которой можно представить в виде плоской стержневой системы.

В основу расчетной схемы положены следующие допущения:

А) Плавное очертание оси обделки заменяются вписанным стержневым многоугольником переменной жесткости.

Б) Распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах многоугольника усилиями.

В) Сплошная грунтовая среда заменяется отдельными упругими опорами, расположенными в вершинах многоугольника, перпендикулярно наружной поверхности обделки.

Г) Силы трения, возникающие в пятах разомкнутой обделки, в расчетной схеме заменяются запретом перемещения узлов пяты по горизонтали.

5.4 Проверка прочности обделки

После определения внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) проверяют прочность бетонных сечений. Для этого вычисляют величину предельной нормальной силы N_П, которую может воспринять данное сечение, и сравнивают её с величиной нормативной силы N, полученной при статическом расчете для этого же сечения. При этом должно соблюдаться условие N_П > N.

Проверку прочности тоннельной обделки проводим для наиболее загруженных сечений 1 и 2.

Для сечения 1. Проверяем эксцентриситет:

е₀=0,33 м = 33 см ≤ 0,9*у=0,9*0,2=0,18 м =18 см;

где y – расстояние от центра тяжести сечения до наиболее сжатого слоя бетона обделки.

Условие не выполняется, в этом случае работа сечения обделки приближается к работе изгибаемых элементов.

В этом случае проверка прочности сечения производится по формуле:

;

где m - коэффициент условия работы (m=0,9);

k - коэффициент, учитывающий вид бетона (k=1);

R_пр - расчетное сопротивление бетона сжатию (R_пр=135кгс/см² ).

b - ширина сечения (b=100 см);

h - высота сечения (h = 40 см).

Производим проверку: M=1,592 тс*м ≤ Мп=4,11 тс*м. Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.

Для сечения 2. Проверяем эксцентриситет:

е₀=0,2133 м = 21,33 см ≤ 0,9*у=0,9*0,2=0,18 м =18 см;

где y – расстояние от центра тяжести сечения до наиболее сжатого слоя бетона обделки.

Условие не выполняется, в этом случае работа сечения обделки приближается к работе изгибаемых элементов.

В этом случае проверка прочности сечения производится по формуле:

;

где m - коэффициент условия работы (m=0,9);

k - коэффициент, учитывающий вид бетона (k=1);

R_пр - расчетное сопротивление бетона сжатию (R_пр=135кгс/см² ).

b - ширина сечения (b=100 см);

h - высота сечения (h = 40 см).

Производим проверку: M=0,952 тс*м ≤ Мп=4,11 тс*м. Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.

В дальнейшем увеличение толщины обделки необходимо, так как при принятых толщинах свода и стен прочность обделки не обеспечена, увеличить ее необходимо до 22 см.