Общие положения. Принципы проектирования конструкций обделок кругового очертания, сооружаемых щитовым способом

Принципы проектирования конструкций обделок кругового очертания, сооружаемых щитовым способом

Общие положения

Щитовой способ применяется для сооружения тоннелей и их участков в широком диапазоне геологических и гидрологических условий – от скальных грунтов, до неустойчивых обводненных грунтов при значительном гидростатическом давлении. Наибольшее распространение щитовая проходка получила в городских условиях: при сооружении перегонных тоннелей метрополитена (рис.1.1), автодорожных и железнодорожных тоннелей (рис. 1.2 и 1.3), коммунальных тоннелей и т.д. в слабых неустойчивых грунтах, требующих усиленного крепления кровли и лба забоя.

Основными факторами, определяющими выбор конструкций обделок тоннелей при щитовом способе их сооружения, являются: габарит приближения строений; инженерно-геологические и гидрологические
условия; материал обделок и конструкционные требования к ним; эксплуатационные и производственные требования; технико-экономические показатели.

Несущие конструкции тоннелей выполняют в виде обделок кругового очертания, что обеспечивает наиболее благоприятные условия статической работы конструкции в условиях всестороннего сжатия. Большинство тоннельных сооружений проектируются из сборных металлических или железобетонных элементов заводского изготовления. При щитовой проходке в необводненных грунтах применяют и монолитный бетон. При этом обделка создается в результате прессования гидроцилиндрами щита уложенной за опалубку бетонной массы.

Сборные обделки кругового очертания в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации и комплексной механизации строительства, что особенно важно при щитовой проходке тоннелей. Изготовленные в заводских условиях элементы сборных обделок отличаются более высоким качеством и меньшей материалоемкостью по сравнению с монолитными. К конструкциям сборных обделок кругового очертания, сооружаемым щитовым способом, предъявляется ряд специфических требований.

Конструкция должна обеспечивать темпы монтажа кольца обделки, соответствующие времени разработки грунта в забое.

Обделка, сразу же после сборки, должна обладать необходимой прочностью и устойчивостью для восприятия как постоянных нагрузок от горного давления, так и временных нагрузок (от усилий щитовых домкратов, монтажных нагрузок от щитового комплекса и др.)

Конструкция соединений элементов сборной обделки должна обеспечивать наименьшую трудоемкость при монтаже и удобство производства гидроизоляционных работ с обеспечением надлежащего качества.

Обделка должна быть долговечной и водонепроницаемой.

Кроме этого конструкция должна соответствовать требованиям, связанным с изготовлением, транспортированием и монтажом обделки в подземных условиях. Обделка должна собираться по возможности из однотипных взаимозаменяемых элементов, что обеспечивает наилучшие технологические условия ее сооружения и предоставляет возможность для применения индустриальных методов изготовления элементов в заводских условиях. В соответствии с этими требованиями, количество типоразмеров сборных элементов обделки должно быть минимальным, а размеры и масса монтажных элементов должны определяться в соответствии с технологией их изготовления, характеристиками транспортного и грузоподъемного оборудования, организацией производства работ.

Стандартизация и унификация элементов сборной конструкции позволяет существенно упростить и максимально механизировать сооружение обделок, предназначенных для различных габаритов в разнообразных инженерно-геологических условиях.

Сборные обделки состоят из ряда вплотную установленных колец, каждое из которых собирают их элементов заводского изготовления (рис. 1.4). Стыки между элементами в кольце называют продольными (радиальными). Стыки между смежными кольцами называют поперечными (кольцевыми).

В качестве материалов для изготовления сборных обделок кругового очертания применяют чугун, сталь и железобетон.

Тип сборной обделки помимо материала, формы и размеров поперечного сечения определяется еще и такими показателями, как количество элементов в кольце, их размеры, а также число типов элементов. При этом во всем многообразии существующих типов сборных обделок кругового очертания можно выделить два наиболее существенных конструктивных признака: это форма рабочего сечения элементов, составляющих кольцо, и характер связей между элементами в кольце и колец между собой.

По этим признакам сборные обделки кругового очертания разделяют на тюбинговые и блочные обделки со связями растяжения в продольных стыках между элементами в кольце и на блочные обделки без связей растяжения между элементами.

Тюбинговая обделка состоит из колец, смонтированных из отдельных элементов ‑ тюбингов. Тюбинг изготавливают из чугуна, железобетона, реже, из стали. Характерным признаком тюбинговой обделки является наличие болтовых соединений как между элементами в кольце, так и между отдельными кольцами, обеспечивающих жесткость конструкции. Наличие связей растяжения в стыках гарантирует равномерную и непрерывную передачу усилий, включая и изгибающие моменты, от одного элемента к другому. Такие обделки предназначены для использования в слабоустойчивых грунтах, в условиях значительного горного и гидростатического давления. Они могут быть с постоянными связями растяжения на весь период эксплуатации тоннеля и с временными, только на время монтажа обделки.

Блочная обделка состоит из колец, смонтированных из железобетонных элементов сплошного или ребристого сечения. Как правило, в блочных обделках не предусмотрены жесткие соединения между элементами в кольце. Таким образом, в блочных обделках существенно снижается передача изгибающего момента в стыках и блоки работают, в основном, на сжатие. Наиболее перспективны блочные обделки, обжатые на грунт.

В особую группу следует выделить блочные обделки с профильными неопреновыми уплотнителями, обладающие повышенной водонепроницаемостью и применяемые при проходке тоннелей герметизированными щитами в обводненных грунтах. В сложных инженерно-геологических условиях обделки такого типа конкурентоспособны с обделками из чугунных тюбингов. В сейсмоопасных районах применяют блочные обделки со связями растяжения в продольных и поперечных стыках, обеспечивающими достаточную жесткость конструкции для восприятия сейсмических воздействий.

Процесс конструирования сборной обделки кругового очертания предполагает следующую последовательность действий. Первоначально, исходя из соответствующего назначению тоннеля габарита приближения строений, назначают внутренний диаметр обделки. Затем, в зависимости от диаметра обделки и инженерно-геологических условий, устанавливают материал обделки и, в соответствии с его механическими характеристиками, определяют форму рабочего сечения и наружный диаметр обделки (то есть толщину блока или высоту кольцевого борта тюбинга). Далее назначают ширину кольца обделки по длине тоннеля и производят разбивку кольца на составные элементы - тюбинги или блоки. Ширина колец обделки определяется диаметром тоннеля, ходом штока щитовых домкратов и устойчивостью грунтов. Затем, в соответствии с требуемой жесткостью и несущей способностью обделки, определяют способ соединения элементов в кольце и колец между собой и назначают основные геометрические параметры элементов. После этого решают вопросы обеспечения водонепроницаемости обделки.

Завершающим этапом проектирования обделки является статический расчет конструкции и проверка прочности ее сечений. В результате расчетов либо подтверждается соответствие запроектированной обделки заданным инженерно-геологическим условиям, либо вносятся необходимые коррективы в конструкцию.