Проектирование тоннеля, сооружаемого горным способом

В верхней части лобовой  стенки устраивают парапет с козырьком, возвышающийся не менее чем на 2 м над верхом головного звена обделки. Между задней гранью парапета и горным склоном оставлено пространство шириной не менее 1,5 м, заполняемое амортизирующей засыпкой из песка и крупнообломочных материалов (высотой не менее 1,5 м) для смягчения ударов падающих камней. По верху засыпки устраивается водоотводной лоток с уклоном 2 ‰ в обе стороны от оси тоннеля, по которому вода сбрасывается в кюветы подходной выемки.

 

 

1.4.3 Конструкции камер и ниш.

Согласно действующим  нормам в проектируемом тоннеле  необходимо устройство камер и ниш.

Камеры служат для  укрытия людей, хранения материалов и размещения эксплуатационного  оборудования. Их располагают в шахматном  порядке по обеим сторонам тоннеля  через 300 м.

Ниши также служат для укрытия людей и расположения в них различного эксплуатационного  оборудования. Они несколько меньше по размерам, чем камеры и располагаются  в шахматном порядке между  ними через каждые 60 м.

Таблица  1.4

 

	Ширина, м	Высота, м	Глубина, м
Камеры	2	2,5	2
Ниши	2	2,5	0,5

 

Обрамляются краской  тёмного цвета, для улучшения  видимости мест расположения.

 

1.5 Статический расчет обделок.

Статический расчет обделки  выполняется на ЭВМ методом конечных элементов. В результате расчета производится корректировка предварительно выбранной конструкции обделки с целью уменьшения в ней возникающих внутренних усилий.

 

1.5.1 Выбор расчетной схемы.

При выборе расчетной  схемы необходимо стремиться к тому, чтобы она максимально точно  отражала условия работы конструкции, инженерно-геологические особенности и особенности материала обделки. Для расчета из сложной пространственной конструкции обделки выделяют плоскую систему размером 1 м вдоль продольной оси тоннеля.

В расчетной схеме  по методу конечных элементов обделка представлена в виде стержневой системы. Криволинейное очертание обделки заменяют вписанным многоугольником, сплошная нагрузка сосредоточенными силами, а упругий отпор грунта упругими опорами расположенными во всех вершинах многоугольника, кроме зоны отлипания. Расчет ведется методом перемещений.

К расчету принимается  половина обделки, а действие отброшенной  части заменяется постановкой ползунов.

Схема к расчету обделки представлена на листе чертежа.

 

1.5.2 Подготовка исходных данных.

На отдельном листе миллиметровки в масштабе 1:20 вычерчивается внутреннее очертание обделки и толщины обделки по направлениям, радиально направленным к контуру. В расчетной схеме наличие обратного свода при заданном коэффициенте крепости грунта (f=3) учитывается. Расчетную схему располагаем в системе координат. Ось X направляется произвольно, а ось Y по оси обделки.

Очертание обделки произвольно  делят четырьмя точками. Точки обходят  против часовой стрелки. Для каждого  участка задают коэффициент упругого отпора со стороны грунта:

К = К₀ :( В / 2)

Где  К₀ – коэффициент удельного отпора, кН/м³ ;

В – пролет выработки, м.

Все характеристики обделки  сводят в таблицу 1.4.

Таблица 1.4

Начальные геометрические характеристики обделки

Номер точек	Координаты		R, м	Толщина, м.		Коэффициент упругого отпора, кН/м3	Рекомендуемое количество участков N
	X	Y		Tнач	Tкон
1	4,83	-3,1	0,1	1,5	1,5	833011,8	3
2	4,9	-3,08	8,038	1,5	0,96	833011,8	5
3	5,47	0	8,038	0,96	0,84	277670,6	7
4	4,82	3,18	6,067	0,84	0,72	277670,6	10
5	2,04	6,27	4,345	0,72	0,6	277670,6	10
6	0	6,78		0,6		277670,6

 

1.5.3 Нагрузки и их сочетания.

Расчет необходимо выполнять  на самые неблагоприятные сочетания  нагрузок с учетом требований СНиП 32-04-97. В курсовом проекте расчет выполнен на основное сочетание, состоящее из постоянных нагрузок. Поэтому коэффициент сочетания в расчет не включен.

Коэффициент надежности по ответственности для тоннельных обделок принимают 

γ_h = 1_, как для сооружений первого повышенного уровня ответственности.

При выполнении данного  курсового проекта в основное сочетание нагрузок включены нагрузки от горного давления – вертикальная и горизонтальная, вычисленные по гипотезе сводообразования Протодьяконова, а также от собственного веса верхней половины конструкции обделки, вычисленного по проектным размерам и плотности материала. Все нагрузки принимаются равномерно распределенными.

В расчет вводятся расчетные  нагрузки, получаемые умножением соответствующих  нормативных нагрузок на коэффициенты надежности по нагрузке. Значения коэффициентов надежности принимаются по таблице.

Вертикальная нагрузка от горного давления грунта и нагрузка от собственного веса суммируются. Рассчитывается обделка первого типа.

Расчет нагрузок.

Нормативные нагрузки.

1. Нагрузка от горного  давления.

Пролет зоны нарушения окружающих выработку грунтов:

L= B + 2h tg( 45 - φ/ 2 )

где  B – пролет выработки, м;

h – высота выработки, м;

φ – кажущийся угол внутреннего трения (по заданию φ=70⁰)

L= 12,965 + 2*11,605*tg (45 – 70/2) = 17,058 м.

 

Высота свода давления, образующегося над выработкой и очерченного по квадратной параболе, определяется по формуле Протодьяконова:

h₁ = L / 2f

где f - коэффициент крепости грунта по заданию (3)

h₁ = 17,058 / (2* 3)  = 2,843 м.

Вертикальная нагрузка:

q = γ_г*h₁

где γ_г – удельный вес грунта, равный γ=p*g (p - плотность грунта по заданию - 2,8 т/м³, g - ускорение свободного падения)

q =2,8*9,8*2,843=78,09 кН/м.

Горизонтальная нагрузка:

p = γ_г (h₁ + 0,5 h) tg² (45 – φ/2)

p = 2,8*9,8* (2,843 + 0,5*11,605) tg² 10⁰ =7,37 кН/м

2. Нагрузка от собственного веса (учитывается давление верхней половины конструкции).

V =13,123 м³ – объем верхней половины обделки

Вес верхней половины обделки:

P = γ•V

где γ – удельный вес материала обделки (бетон γ=23 кн/м³)

P = 23*13,123 = 301,83 кН

Величина равномерно распределенной нагрузки:

q = P / B

q_н = 301,83/12,965 = 23,28 кН/м   q_р=23,28*1,2=27,94кН/м

 

Расчетные нагрузки.

Таблица 1.5

Коэффициенты  надежности по нагрузке

Вид нагрузки	Коэффициент γf
Вертикальная  от горного давления при сводообразовании	1,6
Горизонтальная от давления грунта	0,7
Собственный вес монолитных бетонных конструкций	1,2

 

Расчетная вертикальная нагрузка:

q = 78,09*1,6+23,28*1,2 = 119,46 +27,94 = 147,4 кН/м

Расчетная вертикальная нагрузка:

q = 7,37*0,7 = 5,16 кН/м

 

1.5.4 Анализ результатов расчета.

Результат расчета показал, что наиболее опасными сечениями являются: замок, условная пята свода, обрез фундамента. В этих сечениях и будет производится проверка прочности сечения обделки.

 

	Первое сечение	Второе сечение	Третье сечение
N	448,8668	842,5452	999,311
M	269,151	380,729	414,083

Эпюры M и N представлены на листе чертежа.

 

1.5.5 Проверка прочности сечений обделки.

К опасным относятся  сечения с максимальными по абсолютной величине изгибающими моментами. В  данном проекте выполняется проверка в трех сечениях.

Расчеты выполняются  по предельным состояниям первой группы как для внецентренно сжатых элементов  в соответствии с нормами СНиП 32-04-97 в расчет вводят следующие коэффициенты условия работы бетона, учитывающие:

γ_b6 = 0,85 - попеременное замораживание и оттаивание;

γ_b9 = 0,9 – отсутствие рабочей арматуры;

γ_d1 =0,9 – отклонение расчетной модели от реальных условий монолитных бетонных обделок;

γ_d3 = 0,9 – понижение прочности бетона в обделках без наружной гидроизоляции на обводненных участках.

Расчет:

1. Первое сечение.  Замок.

1.1 Эксцентриситет приложения продольной  силы, м.

ηe₀ = M/N

где M, кНм, и N, кН, - момент и продольная сила в рассматриваемом сечении

η – коэффициент влияния прогиба конструкции на эксцентриситет

(для обделок η =1)

ηe₀ = 269,151/448,8668 = 0,5996 м.

1.2 Проверка выполнения  условия:

ηe₀ ≤ 0,225h

где h – толщина обделки, м

0,225h = 0,225*0,7 = 0,1575 м.

1.3 Проверка  выполнения условия:

0,225h≤ ηe₀ ≤ 0,45h

0,45h = 0,45*0,7= 0,315 м.

Условие не выполняется, следовательно в замковом сечении возникают растягивающие напряжения. Обделку необходимо армировать.

 

2. Второе сечение.  Условная пята свода.

2.1 Эксцентриситет приложения  продольной силы, м.

ηe₀ = 380,729/ 842,5452 = 0,4518 м.

2. 2 Проверка выполнения  условия:

ηe₀ ≤ 0,225h

где h – толщина обделки, м

0,225h = 0,225*0,91 = 0,205 м.

Условие не выполняется. Переходим к п. 2.3

2.3 Проверка выполнения условия:

0,225h≤ ηe₀ ≤ 0,45h

0,45h = 0,45*0,91 = 0,410 м.

Условие не выполняется, следовательно необходимо армировать обделку.

 

3. Третье сечение.  Обрез фундамента.

3.1 Эксцентриситет приложения  продольной силы, м.

ηe₀ = 414,083/ 999,311 = 0,4144 м.

3.2 Проверка выполнения  условия:

ηe₀ ≤ 0,225h

0,225h = 0,225*1,26= 0,2835 м.

Условие не выполняется, следовательно в данном сечении возникают растягивающие напряжения. Армирование обделки.

Ни  одно из условий не выполняется, поэтому обделку необходимо армировать (процент армирования 1,5%)

 

1.6 Постоянные  сооружения.

В данном разделе в сжатом виде характеризуются  основные и функциональные параметры принимаемых постоянных устройств в соответствии с требованиями СНиП 32-04-97.

 

1.6.1 Проезжая часть.

Материалы и конструкции  дорожной одежды в проектируемом  автодорожном тоннеле должны соответствовать  требованиям СНиП 2.05.02 для открытых участков автомобильных дорог, установленным для опасных условий движения. Поперечный уклон проезжей части проектируется равным 2 ‰. Движение транспорта осуществляется по слою цементобетона 15 мм.

Пространство под проезжей частью заполняется дренирующим  грунтом.

 

1.6.2 Водоотведение.

Согласно требованиям СНиП 32-04-97 в проектируемом тоннеле отвод воды, в том числе  от промывки тоннеля и пожаротушения, осуществляется с помощью чугунных колодцев-трапов, расположенным по краям проезжей части через каждые 100 м. Из них вода по чугунным трубам диаметром 150 мм отводится в центральный дренаж – перфорированную керамическую трубу диаметром 150 мм, уложенную в траншее, заполненной гранитным щебнем. Отвод воды осуществляется самотеком. Уклон дна трубы соответствует продольному уклону тоннеля. По тем же требованиям в тоннеле предусматриваются смотровые колодцы с отстойниками объемом 0,04 м³ и размерами в плане 60x100 см, через каждые 50 м. Для исключения распространения горящих нефтепродуктов по тоннелю смотровые колодцы через 280 м имеют гидрозатворы с отстойниками 0,2 м³. Также в тоннеле необходимо устройство поверхностного водоотвода (нагорные канавы).