Статический расчет тоннельной обделки

Оглавление

Введение

1.         Геологические условия, план и трасса тоннеля.

2.         Проектирование тоннельных конструкций.

2.1          Габариты и поперечное сечение тоннеля

2.2          Обделка первого типа

2.3          Обделка второго типа

2.4          Притоннельные сооружения

2.5          Конструкции порталов

2.6          Конструкции камер и ниш

3.         Статический расчет тоннельной обделки

Введение

Тоннелем называют горизонтальное или наклонное подземное искусственное сооружение, имеющее значительную протяженность по сравнению с поперечным сечением и предназначенное для транспортных целей, пропуска воды, прокладки городских коммунальных сетей или размещения производственных предприятий.

В настоящее время роль тоннелей очень велика. Тоннели на путях сообщений служат для преодоления различных препятствий или для развития линии под землей с использованием ограниченного уклона. Применение транспортных тоннелей (железнодорожных, автодорожных, судоходных, пешеходных тоннелей, метрополитенов) позволяет преодолевать значительные препятствия (горные массивы, воду), сокращать длину трассы, увеличивать безопасность движения. Применение метрополитенов в городах позволяет снизить интенсивность наземного транспорта.

Сооружение тоннеля дорогостоящее, трудоёмкое и продолжительное мероприятие. Для сведения к минимуму сроков строительства и стоимости тоннеля, а так же снижения трудоёмкости в настоящее время необходимо стремиться к максимальной комплексной механизации проходческих работ. Применение современных технологий и конструкций позволяет не только увеличить скорость проходки, уменьшить стоимость и снизить трудоёмкость, но и расширить возможный диапазон применения тоннелей – в слабых и сильно трещиноватых грунтах, в условиях вечной мерзлоты, позволяет сооружать тоннели под водой и сильно обводненных грунтах.

1.      Геологические условия, план и трасса тоннеля

При проектировании поперечного сечения, продольного  профиля и плана автодорожного тоннеля учитывались требования СНиП 32-04-97.

Проектируемый автодорожный тоннель имеет четыре полосы движения с шириной проезжей части 17000мм, с двумя служебными проходами 2×750мм.

Общая длина тоннеля равна 1200м. При такой длине тоннель проектируем односкатным, т.к. известняк необводнен.

Для автодорожных тоннелей минимальный продольный уклон составляет 3, а максимальный уклон не должен превышать 40.

i = (515-505)/1200*1000=8,3.

Таблица 1.1 – Характеристики грунтов

Таблица 1.2 – Отметки точек

2.    Проектирование тоннельных конструкций

Комплекс сооружений транспортного тоннеля включает собственно тоннель с нишами и камерами, сервисную штольню, дренажные камеры, порталы и шахтные стволы. В курсовом проекте основное внимание уделено проектированию самого тоннеля.

2.1           Габариты и поперечное сечение тоннеля.

Основой для построения внутреннего очертания автодорожного тоннеля является габарит приближения строений заданный стандартом. Его вид с размерами показан на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Габарит Г приближения строений.

Согласно требованиям норм необходимо:

- Во въездной зоне тоннеля устраивать раструбный участок длиной не менее 20м, с увеличением площади сечения не меньше чем на 50%.

- Через каждые 750м – местные уширения с площадками для аварийной остановки транспортных средств, длиной 50м, шириной 2,75м. Площадки устраивают с обеих сторон тоннеля. Размер габарита в пределах площадок увеличивается соответственно на 2,75м.

- В автодорожных тоннелях на протяжении не менее 100м от портала необходимо применять осветленные асфальтобетонные дорожные покрытия, белую плитку для облицовки или белую окраску стен на высоту не менее 1,4м от уровня служебного прохода, либо другие технические решения обеспечивающие адаптацию зрения водителей. Наружные углы ниш и камер должны быть окрашены флуоресцирующей краской на высоту не менее 0,5м. Для облицовки лобовой поверхности порталов и подпорных стен должны применяться материалы темного цвета.

Поперечное сечение тоннеля имеет подковообразную форму. Внутренний контур обделок обоих типов запроектирован по пятицентровой кривой, описанной вокруг габарита приближения строений.

2.2        Материалы тоннельных обделок

В проекте предусмотрено два типа обделок. В обоих случаях используется бетон класса В 30 согласно указаниям [1]. Такое решение принято в связи с недостаточной крепостью грунтов на этом участке и большим сечением выработки.

Проектные марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости выбираются с учетом климатических данных района строительства по расчетной зимней температуре наружного воздуха.

Согласно табл. 3.3 [1] проектные марки бетона:

- F300 по морозостойкости;

- W12 по водонепроницаемости.

Таблица 2.1 – Классы и расчетные характеристики используемых бетонов

2.3    Конструкции обделки, порталов, камер и ниш с указанием основных параметров.

2.3.1      Конструкции обделок.

Задача проектирования тоннельной обделки заключается в выборе типа и материала конструкции, а также в установлении их внутреннего и наружного очертания.

Внутреннее очертание проектируем так, чтобы удовлетворять условию габарита, при правильно построенном очертании расстояния до критических точек должны составлять  100-150 мм. Линии внутреннего очертания должны плавно сопрягаться. В грунтах с коэффициентом крепости менее 4 обделку проектируют с обратным сводом. После нанесения на чертеж внутреннего контура на нем откладываем толщину обделок в характерных сечениях:

- для грунта №1 (f=5.6): в замке 550мм, в условной пяте свода 935мм, в стене – 770мм, в уровне образа фундамента – 1165мм, обратный свод имеет толщину 400см. Заблаговременно необходимо предусмотреть пространство для вентиляционных каналов и для водоотвода.

- для  грунта №2 (f=3,0): в замке 750мм, в условной пяте свода 1350мм, в стене –1125мм, в уровне обреза фундамента – 1487мм, обратный свод имеет толщину 600см.

2.3.2      Конструкции порталов

Переход от тоннеля в предпортальной выемке осуществляется при помощи портала для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель. В данном проекте выбран прямой портал с выносной искусственной засыпкой. Место расположения портала назначается исходя из минимальных нарушений естественного равновесия горных склонов. Для слабых грунтов (западный портал) глубина предпортальной выемки достигает 12-15 м для скальных (восточный портал) 15-20 м.

Для устройства портала предусмотрена срезка и укрепление лобового откоса. Торцевая стена связывается с первым кольцом обделки с помощью отрезков прокатных профилей и опирается на боковые откосы выемки. Уклон откосов 1: для западного портала выбран по причине достаточной устойчивости грунтов в этом месте.

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.

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 2.3 – Размеры камер и ниш

2.4            Статический расчет обделки тип 1

2.4.1       Определение нагрузок на тоннельную обделку

При расчете обделки на основное сочетание нагрузок в расчете учитываются все вертикальные нагрузки, действующие на обделку (горное давление, собственный вес, и в обводненных грунтах – гидростатическое давление).

Расчет необходимо выполнять на самые неблагоприятные сочетания нагрузок с учетом требований [3]. 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

γh = 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. Вертикальные  нагрузки принимаются равномерно распределенными. А горизонтальная нагрузка от горного давления распределена линейно по высоте обделки.

В расчет вводятся расчетные нагрузки, получаемые умножением соответствующих нормативных нагрузок на коэффициенты надежности по нагрузке. Значения коэффициентов надежности принимаются по таблице 6 [1].

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

Нагрузки от горного давления определяются по формуле:

L = B + 2*h*tg(45 – φ0 / 2) , где B – ширина выработки, h – высота выработки,      φ – кажущийся угол внутреннего трения (по заданию φ=730)

L = 20,1+ 2*12,52*tg(45 – 73 / 2) = 23,84м

Высоту свода давления , образующегося над выработкой и очерченного по параболе, определяют по формуле:

h1 = L / 2*f , где f – коэффициент крепости грунта

h1 = 23,84 / 2*5,6 =2,13м

Свод давления по теории сводообразования М. М. Протодьяконова

Горизонтальная нагрузка

=2,7*9,81*2,13*0,022=1,27 Кн/м

=2,7*9,81(2,13+12,52)tg2(45-73/2)= 5,06Кн/м

Нормативное вертикальное горное давление принимается равномерно распределенным интенсивностью .

qГД = h1 * γ * kp , где kp – коэффициент условий работы горного массива ( kp = 1),

γ – удельный вес грунта

qГД = 2,13* 2.7 * 9.81 =57,51кН/м.                                           

              При определении расчетных нагрузок нормативные нагрузки умножаются на коэффициент надежности по нагрузке γf .

, где =1,6 (для скальных грунтов).

qГД = 57,51 * 1.6 =92,02 кН/м .                                                   

              Собственный вес обделки определяется по формуле:

, где - объем бетона, - удельный вес бетона (=23,5 кН/м)

, где - площадь сечения обделки.

V = 16,77 *1 =16,77 м                                                                                                  

G = 16,77* 23,5 =394,10

              Интенсивность нагрузки от собственного веса равна:

qСВ  = G / b *1 , где b – ширина тоннельной обделки                          

qСВ1 = 394,10 / 20,1 *1 =19,61кН/м

              Расчетная нагрузка от собственного веса:

qСВ = qСВ * γf , где γf = 1.1 (для бетона)

qСВ1  = 19,61 *1.1 =21,57кН/м

              В расчет вводиться равномерно распределенная нагрузка:

q = 92,02+21,57 = 113,59кН/м .      

pp1=1,2*1,27=1,52кН/м ;  pp2=1,2*5,06=6,07кН/м

Таблица 2.4 – Коэффициенты надежности по нагрузке

              В результате расчета тоннельной обделки по программе TUN2 были получены значения продольных сил, моментов в начале и конце каждого элемента, а также значения реакций отпора грунта в начале и конце каждого стержня.

Эпюры продольных сил, моментов, а также таблица значений представлены в приложении А и на втором листе (приложение В).

2.4.2           Определение усилий в обделке тоннеля с помощью программы TAN_2

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.

Очертание обделки делим на три элемента (по количеству кривых и прямых во внешнем очертании обделки). Каждый элемент делим на 10-20 частей. Все геометрические характеристики расчетной модели сведены в таблицу 1.4.

Таблица 2.5 -  Геометрические характеристики расчетной модели обделки

После получения результатов (эпюры M,N,R) выполняем их анализ. Здесь особое внимание следует обратить на знаки эпюр М и N. В обделке подковообразного сочетания положительные моменты обычно возникают в замковой части, отрицательные в области условных пят свода; продольные силы во всех сечениях должны быть сжимающими.

2.4.3  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 [3]. В расчет вводят следующие коэффициенты условия работы бетона, учитывающие:

γb6 = 0,85 -  попеременное замораживание и оттаивание (по табл. 4.2 [1]);

γb9 = 0,9 – отсутствие рабочей арматуры;

γd1 =0,9 – отклонение расчетной модели от реальных условий монолитных бетонных обделок;

γd3 = 0,9 – понижение прочности бетона в обделках без наружной гидроизоляции на обводненных участках.

2.4.3.1  Первое сечение. Замок.

Эксцентриситет приложения продольной силы, м.

ηe0 =155/857 = 0,181 м.

Проверка выполнения условия:

ηe0<0,45h               

где h – толщина обделки, м

0,45h = 0,45*0,550=0,247 м.

Условие по эксцентриситетам выполняется,  следовательно в замковом сечении ненужно армировать обделку

ηe0 < (0,5h -1)

0,181<0,265                            

N≤Nпред==609,34кН

Условие по прочности не выполняется,  следовательно, в замковом сечении необходимо армировать обделку

   Подбор арматуры.

Аs=m*A;

Где m-коэффициент армирования m=0,001… 0,015;

А=в*h;

   где в=1м; h-толщина обделки в данном сечении

  1-ое сечение. Замок

А=1*0,550=0,550м2;

Аs= 0,005*0,550=0,00275м2;

   Принимаю арматуру d=12 мм.

Площадь одной арматуры: А=4,5см2                            

N=As/A =27,5/4.5 =6шт.

Определим уточненную площадь арматуры As=6*4.5=27*10-4м2.

Теперь посчитаем геометрические характеристики привиденного сечения

Так как  то есть (продольная сила выходит за пределы ядра сечения) то

Расчет ведется только по прочности.