Файл: Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие.pdf

электротензометры сопротивления. Датчик, плотно приклеенный специальным клеем к поверхности элемента крепи, деформируется вместе с крепью и меняет свое электросопротивление, которое из­ меряется с помощью очень чувствительного электрического моста.

Для этих же целей применяют покрытие поверхности элемен­ тов крепи пленками оптически активного материала — эпоксимала. Измеряя методом фотоупругости двойное лучепреломление, полу­ чают данные о напряженном состоянии крепи.

Кроме этих методов широкое распространение в практике тон­ нелестроения получила закладка в толщу бетона обделки специ­ альных тензометров и определение деформаций бетона, установка специально разработанных для этих целей динамометров и дина­ мометрических стоек.

Как в отечественной, так и в зарубежной практике тоннеле­ строения имеется большой опыт натурного измерения горного дав­ ления.

Расчет тоннельных обделок

Расчеты тоннельных обделок основаны на законах строитель­ ной механики и производятся при проверке прочности облицовки.

Особенностью статической работы тоннельной обделки являет­ ся участие в ней окружающей ее породы. Чем крепче порода и чем плотнее прилегает к ней облицовка, тем большее сопротивление оказывает порода деформациям облицовки, облегчая тем самым ее статическую работу.

Основные нагрузки, действующие на тоннельную обделку; гор­ ное давление, собственный вес обделки, вес забутовки (между об­ делкой и породой), давление напорных вод (если таковые име­ ются), внутреннее давление воды в тоннеле (для гидротехнических тоннелей) и давление цементного раствора, нагнетаемого за об­ делку.

Преобладающая нагрузка, действующая на обделку транспорт­ ных тоннелей,— это горное давление, а для гидротехнических (осо­ бенно напорных),— кроме того, напор внутри обделки тоннеля.

Точное определение величины горного давления является за­ дачей очень трудной, но она еще больше усложняется тем, что горное давление изменяется во времени. Другие нагрузки, дей­ ствующие на тоннельную обделку, также не вполне определенны.

Значительные трудности представляет собой определение де­ формационных свойств пород в массиве особенно при анизотроп­ ности строения и рассеченности его различными системами трещин.

Расчеты тоннельных обделок производятся исходя из следую­ щих теоретических предпосылок:

I. Свод рассчитывается как трехшарнирная арка, находящая­ ся в предельном равновесии под действием горного давления и собственного веса.

263

II. Учитывается упругость свода, но пяты его принимаются не­ подвижными.

Обе эти предпосылки не учитывают влияния породы как упру­ гой среды и окружающая обделку порода рассматривается только как среда, создающая нагрузку.

III. Учитывается влияние среды, окружающей обделку, как облегчающей работу подземной конструкции. Свод рассматривает­ ся как бесшарнирный при неподвижных опорах, а боковая стена обделки как жесткая система, воспринимающая давление грунта. Принимается в расчет трение по подошве фундамента стены.

IV. Тоннельная обделка рассматривается как упругая система в упругой среде и исследуется совместная работа свода, стен и грунта. При этом принимается гипотеза Винклера о том, что грунт — это упругая среда с линейной зависимостью между де­ формацией и напряжением.

На основе этих теоретических положений был разработан це­ лый ряд методов, широко применявшихся в практике тоннелестрое­ ния с 1934—1935 гг. и до начала 50-х годов. Общим их недостатком является принятие гипотезы Винклера, несостоятельность которой была доказана многими советскими учеными (Н. М. Герсевановым, В. А. Флориным и др.).

V. Учет влияния упругой среды проводится на основе методов теории упругости с принятием в качестве основных характеристик породы модуля продольной деформации и коэффициента попереч­ ного расширения. Расчеты, основанные на этой теоретической базе, несколько более сложны, чем перечисленные выше, но они лучше отражают действительные условия работы сооружения во взаимо­ действии со средой, поэтому и являются в настоящее время наибо­ лее распространенными и применяемыми в самых ответственных случаях (Давыдов, 1950).

Для более простых и менее ответственных сооружений и в на­ стоящее время продолжают применять методы, использующие ги­ потезу Винклера (IV группа), как менее сложные, но достаточно хорошо зарекомендовавшие себя при относительно простых усло­ виях.

Типы тоннельных обделок

Тоннель без обделки может существовать лишь в сплошных крепких невыветрелых и устойчивых породах при отсутствии гор­ ного давления. Во всех остальных случаях тоннель закрепляется той или иной обделкой, несущая способность которой должна быть достаточной для того, чтобы выдержать горное давление.

П о с т е п е н и з а к р е п л е н и я в ы р а б о т к и тоннели можно разделить на: имеющие профиль без обделки, с обделкой только верха выработки, с обделкой без обратного свода и имею­ щие полную обделку с обратным сводом. Последняя представляет собой замкнутый контур, возводимый по всему периметру попереч­

264

ного сечения, и состоит из фундаментов, боковых стен, верхнего свода и обратного свода. Такое же полное закрепление профиля имеют обделки кольцевого очертания.

Полная обделка с обратным сводом (см. рис. 154, б) приме­ няется преимущественно в слабых породах, в которых развивает­ ся большое боковое и подошвенное давление.

Обделка без обратного свода применяется в более прочных породах, в условиях отсутствия бокового и подо­ швенного давления и является одним из самых распростра­ ненных типов обделок.

Обделка только верха вы­ работки применяется сравни­ тельно редко, преимуществен­ но в прочных породах.

В конструктивном отношении все обделки тоннелей подразде­ ляются на монолитные и сборные.

Монолитные обделки сооружаются преимущественно при горных способах производства горнопроходческих работ, тогда как при индустриальном щитовом способе применяются сборные конструкции. При открытом способе сооружения тоннелей допу­ скается применение как монолитных, так и сборных типов обде­ лок. Сборные обделки в большинстве случаев имеют круговое очертание и закрепляют всю поверхность выработки, образуя зам­ кнутый профиль.

Материалом для монолитных обделок служат камень, бетон и железобетон.

Сборные обделки сооружают из металлических и железобетон­ ных тюбингов (рис. 158), бетонных и железобетонных блоков.

Большинство тоннелей старой постройки было закреплено ка­ менной кладкой, оказавшейся весьма долговечной и прочной. Осо­ бенно часто каменная кладка применялась для крепления порталов (рис. 159). Однако при каменной кладке ограничиваются возмож­ ности применения механизации работ, поэтому в настоящее время она применяется редко.

Бетон, заменяющий каменную кладку в современном тоннеле­ строении, является прекрасным монолитным, прочным и достаточно водонепроницаемым материалом, и его укладка может быть ши­ роко механизирована. Однако и он имеет ограничения в примене­ нии при тоннельном строительстве, так как не может воспринимать высокое горное давление сразу после возведения из него крепи (период твердения бетона продолжается некоторое время). Кроме того, при высоком горном давлении временная крепь занимает много места и укладка бетона в обделку оказывается затрудни­ тельной.

2 6 5

В настоящее время в тоннелестроении очень широко приме­ няют сборную железобетонную обделку, которая обладает всеми достоинствами металлической, но менее подвержена коррозии и более экономична.

Водоотводные устройства и гидроизоляция тоннелей

Защита тоннеля от подземных вод производится либо путем открытия свободного доступа вод в сооружение с последующим отводом их наружу, либо путем преграждения доступа их в тон­ нель созданием водонепроницаемой защитной изоляции.

Решения первого типа характерны для старых тоннелей, в ко­ торых закладывались специальные дренажи с выводом вод внутрь тоннеля. В этих случ-аях тоннель становился дреной для водонос­ ного горизонта и постепенно вокруг тоннеля возникал новый ре­ жим подземных вод. Это часто сопровождалось постепенным уве­ личением притока вод за счет растворения пород или механиче­ ского размыва и выноса мелкого заполнителя трещин и в конце

ряде случаев приводило к обрушению отдельных глыб, местному резкому увеличению горного давления и даже разрушению обделки тоннеля. Поэтому в последние годы при постройке тоннелей при­ нимают меры к созданию водонепроницаемых обделок, с тем чтобы тоннель вносил минимальные изменения в режим подземных вод,

вокружающих тоннель горных массивах.

Впрактике тоннельного строительства в настоящее время

разработано много способов гидроизоляции обделки, среди кото­ рых основными и наиболее эффективными являются нагнетания цементного раствора или других веществ (например, битума или битумных эмульсий, силиката, специальных смол и т. п.) за обдел­ ку тоннеля. Такой способ позволяет достигнуть надлежащей защи­ ты тоннеля от притока в него воды и, кроме того, вообще суще­ ственно улучшает работу обделки как конструкции, воспринимаю­

щей горное давление.

Другим способом является изоляция оклеенного типа, когда тоннельная обделка снаружи (между породой и сооружением) или внутри покрывается рулонным материалом (рубероидом, пергами­ ном, гидроизолом), приклеиваемым с помощью асфальтобитумных мастик — клейбемасс. Этот способ при высоком качестве выпол­ нения очень эффективен и применяется при сооружении тоннелей ниже уровня грунтовых вод в слабых неустойчивых породах, глав­ ным образом при открытом способе производства горнопроходче­

ских работ.

В некоторых случаях, преимущественно при малом водопритоке, успешными оказываются способы гидроизоляции в виде об­ мазки или штукатурки специальными составами и растворами.

2 6 7

Для металлической обделки применяются специальные спосо­ бы гидроизоляции — промазывание гидроизоляционной пастой кон­ тактных поверхностей между элементами, чеканка свинцом, запол­ нение специальным изолирующим материалом и т. д.

Порталы и оголовки

Входы в тоннель обычно закрепляются и обделываются в виде оголовков или порталов.

Под оголовком понимают конструктивно оформленное легкое крепление торцовой части входного звена тоннельной обделки. Ус­ траивают оголовки тогда, когда породы, слагающие лобовой и бо­

боковых откосов входной выемки, а также отвести от тоннеля по­ верхностные и атмосферные воды, стекающие с этих откосов, со­ оружают порталы (см. рис. 159). В соответствии с назначением портал представляет собой архитектурно оформленную подпорную стенку, сооружаемую из камня, бетона или железобетона.

Ввиду того что порталы и оголовки всегда располагаются в породах, подвергающихся склоновым процессам, а также в зоне выветривания, определение устойчивости их является сложной задачей.

§ 4. ВИДЫ ТОННЕЛЕЙ

Железнодорожные тоннели

Железнодорожные тоннели являются элементом железной до­

и двухпутные. Выбор числа путей в тоннеле определяется не толь­ ко числом путей на железной дороге, но н особенностями инженер­ но-геологических условий. Так, иногда может оказаться более вы­ годной и целесообразной прокладка двух однопутных тоннелей вместо одного двухпутного.

Продольный (руководящий) уклон тоннеля не должен превы­ шать 15°/оо на линиях I и II категорий и 20%0 на линиях III кате­ гории, а минимальный должен быть не менее 3%0. Горизонтальные участки тоннеля по длине не могут превышать 200—400 м.

Обделка железнодорожных тоннелей может быть несущей, т. е. воспринимающей горное давление, или может выполнять роль оболочки, выравнивающей неровности поверхности выработки в скальных породах или предохраняющей их от выветривания. Вы­ бор формы, конструкции и материалов обделки зависит от инже­ нерно-геологических н гидрогеологических условий по трассе тон­ неля, размеров сечения и способов производства горнопроходче­ ских работ.

2 6 8

Внутренние размеры тоннельных обделок зависят от действую­ щих «Габаритов приближения строений подвижного состава же­ лезных дорог колеи 1524-мм» (ГОСТ 9238—59).

Метрополитены

Существуют два основных типа метрополитена: надземный и подземный.

По своему назначению метрополитены служат для перевозки пассажиров, хотя известны и специальные грузовые линии (Чи­ каго) .

Рис. 160. Двухсводчатая станция метрополитена

Глубина заложения сооружений метрополитенов колеблется обычно от 5—б до 80 м, причем различают метрополитены мелкого (до 10 м) и глубокого (свыше 30 м) заложения.

Все пути метрополитена, во избежание скопления воды, долж­ ны иметь уклоны не менее 3%0 на перегонах и не менее 2%о на станциях. Максимально уклоны достигают 53%о.

Вчисло сооружений метрополитена входят перегонные одно-

идвухпутные тоннели и станционные тоннели. Кроме того, имеют­ ся особые экскалаторные (наклонные) тоннели, а также тоннели служебные, вентиляционные и шахты.

Станции располагаются на различном расстоянии друг от дру­

га, в центре города они бывают чаще, ближе к периферии — реже. Среднее расстояние составляет 1000—1500 м (максимальное 2500 м). В некоторых старых европейских метрополитенах мини­ мальные расстояния между станциями равняются 200 м.

По своей конструкции и схеме станции могут быть весьма раз­ личными. Выбор той или иной конструкции зависит от назначения (конечная, пересадочная или промежуточная), напряженности пас­

269