Тоннель, сооружаемый горным способом

       Министерство  путей сообщения

       Российской  Федерации 

       Дальневосточный государственный  университет путей  сообщения 
 
 

       Кафедра: «Мосты и тоннели» 
 

       КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

       по  дисциплине: «Тоннели»

       на  тему: «Тоннель, сооружаемый горным способом»

       Пояснительная записка 
 
 

                                                Выполнил: Кисиль П. И.

                                                Консультант: Смышляев Б. Н. 
 
 
 
 

       Хабаровск

       2010 

       СОДЕРЖАНИЕ 

    ВВЕДЕНИЕ 

       Железнодорожный транспорт играет большую роль в  жизни любой страны. Так как большая часть перевозимых грузов транспортируется по  железным дорогам, то они должны обеспечивать быструю его перевозку. На  пути железнодорожного транспорта, также как и автодорожного возникают различные природные препятствия, к числу которых относится и горный массив. Обход горного массива приводит к значительному удлинению пути, что влечёт за собой увеличение времени и стоимости перевозки. В таких случаях следует сооружать тоннель, естественно при соответствующем технико–экономическом сравнении его вариантов.

       В задании на курсовой проект требуется запроектировать двухпутный железнодорожный тоннель с уклоном линии . Поперечное сечение тоннеля должно удовлетворять утверждённому  габариту  «С». Категория дороги – II. Длина приемно-отправочных путей – 1050м. В качестве материала обделки используется монолитный бетон класса В40.

       Геологические данные заложения  тоннеля:

       - порода - мел;

       - коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову – ;

       - удельный вес породы - ;

       - угол внутреннего  трения - ;

       - коэффициент упругого отпора - .

       Приток  воды на 1 км выработки  отсутствует.

    1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАССЫ И ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ТОННЕЛЬНОГО ПЕРЕСЕЧЕНИЯ 

       План  и продольный профиль  тоннелей проектируются  по нормам, установленным для открытых участков линий с учётом особенностей, связанных с расположением дороги в подземных выработках.

       Элементы  трассы железной дороги должны обеспечивать безопасность движения при наибольших расчётных  скоростях. На расположение тоннеля и характеристики его эксплуатационных качеств сильно влияет наличие контурных и высотных препятствий. Обход или пересечение этих препятствий осуществляется при проектировании:

• в плане - разбивкой трассы на отдельные прямолинейные участки и их сопряжение криволинейными;
• в профиле – из участков спусков и подъёмов различной крутизны, сопрягаемых между собой по определённым правилам.

       Трасса  горного железнодорожного тоннеля представляет собой напряжённые ходы, т.е. требует применения максимально возможных уклонов трассирования равных руководящему или уклону кратной тяги .

       Необходимый шаг трассирования  железной дороги по плану в горизонталях с указанным масштабом и сечением горизонталей определяется по формуле:

       где - шаг трассирования в натуре, км;

        - сечения горизонталей, м;

        - руководящий уклон, ;

        - смягчение уклона за счёт сопротивления на кривых, ;

       Величина  наименьшего рекомендуемого радиуса зависит  от скоростей движения поездов и грузонапряжённости линии. На линиях первой категории, где предусматривается  движение пассажирских поездов со скоростями, превышающими 120 км/ч, и значительная напряжённость грузовых перевозок, нормами проектирования наименьший рекомендуемый радиус принимается равным 1200 м. На линиях II категории, а также на линиях I категории, где не предусматривается движение пассажирских поездов со скоростями более 120 км/ч, этот радиус принимают равным 800 м, а на линиях III категории – 600 м.

       Для более плавного вписывания ходовых частей подвижного состава прямые и кривые участки пути сопрягаются посредством переходных кривых.

       Продольный  профиль железнодорожной  линии проектируется  элементами возможно большей длины  при наименьшей алгебраической разности сопрягаемых уклонов. Наибольшая алгебраическая разность сопрягаемых уклонов для дороги II категории при длине приемно-отправочных путей равной 1050 м составляет не более 10 _.

       Высотное  положение порталов тоннеля в курсовом проекте выбирают исходя из условий  крепости породы, при  крепости глубина портальных выемок составляет 12-15 м.

       Продольный  профиль проектируемого однопутного железнодорожного тоннеля принят двухскатным. По условиям водоотвода продольный профиль пути в тоннеле устраивается с уклоном не менее 3%.

       Руководящий уклон, или уклон  кратной тяги принимается  на примыкающих открытых участках линии, а в тоннеле при его длине более 300 м необходимо смягчение уклона. Длина поезда принимается равной длине приемно–отправочных путей 1050 м. Наибольший допускаемый уклон линии в тоннеле находится по формуле:

       где - руководящий уклон;

        - уклон, эквивалентный сопротивлению в кривой;

        - коэффициент смягчения уклона, зависящий от длины тоннеля, в данном случае при длине -

       Продольный  профиль трассы тоннеля  приведен в приложении 1.

       План  трассы приведен в приложении 2.

    2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОННЕЛЬНОЙ  ОБДЕЛКИ 

       Форма и размеры транспортного  тоннеля определяются заданными габаритами приближения строений или конструкций, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями.

       В задании на курсовой проект необходимо запроектировать обделку двухпутного железнодорожного тоннеля.

       Габарит однопутного железнодорожного тоннеля «С». Тоннель находится в кривой, радиус которой , следовательно, требуется уширение габарита, а также увеличение ширины междупутья , для .

       Между внутренним контуром обделки и угловыми точками габарита должны быть обеспечены зазоры, препятствующие появлению негабаритности. Эти зазоры должны приниматься в  зависимости от крепости породы. В расчёте  приняты – 10 см.

       Между стенками железнодорожного тоннеля и габаритом  должны оставляться зазоры для размещения за пределами габарита устройств сигнализации, централизации и блокировки.

       По  внутреннему очертанию  обделка должна быть однотипной на всей длине тоннеля, что  способствует стандартизации механизмов, опалубки и оборудования

       Толщина обделки в замковом сечении принимается равной 65 см. Она зависит от класса бетона и коэффициента крепости породы по Протодьяконову М. М. В условной пяте, стене и по обрезу фундамента толщина обделки принимается равной толщине в замке, умноженной на соответствующие коэффициенты (табл.2.1)

       Таблица 2.1.  

       В целях безопасности обслуживающего персонала  в железнодорожных  тоннелях предусматривают  ниши, устраиваемые через каждые 60 м  с каждой стороны  в шахматном порядке  с размерами в  ширину´глубину´высоту - 200´100´200 см. Для хранения ремонтного оборудования и укрытия дрезины, через каждые 300 м по обеим сторонам тоннеля сооружают камеры с размерами в ширину´глубину´высоту - 400´250´280 см.

       Конструкция тоннельной обделки приведена на рис. 2.1. 

                Рисунок 2.1. Конструкция тоннельной обделки 

       3. РАСЧЁТ ТОННЕЛЬНОЙ  ОБДЕЛКИ 

       Конструкция тоннельной обделки  рассчитывается по предельным состояниям в соответствии с действующими нормами.

       Расчёт  ведётся по двум группам  предельных состояний:

• по несущей способности на прочность и устойчивость формы конструкции;
• по деформациям, раскрытию трещин или на трещиностойкость.

       Расчёт  по деформациям, как правило, не производится, это связано с большой жесткостью обделки.

       Расчёт  рекомендуется выполнять  в следующей последовательности:

       1. Назначение расчётной  схемы с заданием  основных размеров  и материала обделки: высоты и пролёта конструкции, толщины обделки в расчётных сечениях, марки бетона; 

       2. определение нагрузок, действующих на тоннельную обделку;

       3. определение расчётных  усилий в различных  сечениях обделки;

       4. проверка прочности обделки в зависимости от размеров сечений, расчётного сопротивления материала, условия работы конструкции. 

       3.1. Назначение расчётной  схемы с заданием  основных размеров  и материала обделки 

       При строительстве тоннеля  в породах крепостью  по М. М. Протодьяконову его поперечное сечение принимается подковообразным. В расчётах тоннельной обделки в таких условиях необходимо учесть наличие упругого отпора со стороны породы, который образуется по части боковой поверхности и в пятах. Кроме этого необходимо учесть то обстоятельство что обделка по высоте имеет переменную жесткость.

       Интенсивность упругого отпора определяется в предположении, что порода представляет собой упругое основание Винклера. При необходимости более точного расчёта кроме сил отпора могут также учитываться и дополнительные силы трения породы по боковой стороне обделки.

       Таким образом, расчётная  схема тоннельной обделки  может  быть принята в виде подъёмистого свода с упруго защемлёнными пятами и с загружением активными и пассивными нагрузками.

       Расчётная схема представлена на рис.3.1. 

       Тоннельная  обделка представляет собой статически неопределимую систему  с небольшим числом неизвестных. Нагрузки, действующие на тоннельную обделку принимаются симметричными относительно вертикальной оси.

       Применительно к расчёту тоннельной обделки на ЭВМ  расчётная схема  тоннельной обделки  несколько модернизирована. Ось тоннельной обделки  разделена на восемь равных частей. В пределах каждого участка жесткость тоннельной обделки и упругие характеристики среды приняты постоянными. 

        Рисунок 3.1. Расчетная схема  и основная система  для тоннельной обделки  подковообразного очертания. 

       3.2. Определение нагрузок, действующих на  тоннельную обделку. 

       Нагрузки, действующие на тоннельную обделку определяются согласно СНиП 11-44-78. Величина нагрузок зависит от глубины заложения тоннеля и размеров выработки, инженерно – геологических, климатических и сейсмических условий, способа производства работ и т.д. Нагрузки подразделяются на временные, постоянные и особые.

       В курсовом проекте  тоннельную обделку  необходимо рассчитать на основное сочетание нагрузок, составляемое из постоянных и временных нагрузок, таких как:

• вертикальное горное давление;
• горизонтальное горное давление, активное или в виде упругого отпора;
• собственный вес тоннельной обделки;
• гидростатическое давление грунтовых вод;

       Схема к определению  величины горного  давления на основании  гипотезы М.М. Протодьяконова приведена на рис.3.2. 

       Пролёт  свода обрушения  определяется по формуле:

       Высота  свода обрушения  определяется по формуле:

       где f – крепость породы по М. М. Протодьяконову.

       В расчёте вертикальное и горизонтальное горное давление принимается равномерно распределённым и принимается по формуле:

• вертикальное горное давление:

• горизонтальное  горное давление:

       Определение расчётных нагрузок.

       Для определения расчётных  нагрузок вертикального  и горизонтального  горного давления необходимо нормативную  нагрузку умножить на коэффициент перегрузки:

       3.3. Составление исходной  информации для  расчёта тоннельной  обделки на ЭВМ. 

       Для расчёта тоннельной обделки на ЭВМ  необходимо подготовить следующие исходные данные:

• глубина заложения тоннеля;
• коэффициент крепости породы по М. М. Протодьяконову –f;
• угол внутреннего трения породы - j;
• удельный вес породы - g;
• коэффициент упругого отпора за стеной обделки(Кс) и под подошвой (Кп);
• ширина выработки – В;
• высота выработки – Н;
• коэффициент условий работы горного массива – Кр;
• модуль упругости материала, из которого изготовлена тоннельная обделка – Е;
• координаты центров тяжести;
• толщина расчётных сечений тоннельной обделки.

       Для определения координат  центров тяжести  расчётных сечений  и толщины тоннельной обделки в этих сечениях необходимо начертить тоннельную обделку в масштабе 1:100  и разбить её на конечные элементы.

       Определённые исходные данные, удобно оформить в виде таблиц (см табл.3.1., табл.3.2.). 
 

       Исходные  параметры задачи

       Таблица 3.1.

       Координаты  и толщина обделки

       Таблица 3.2.

       Результаты  расчета на ЭВМ

       Таблица 3.2.

       Расчет  выполнен на горное давление q = 220,7313 кН/м². 

       По  вычисленным на ЭВМ  значениям моментов и нормальных сил  строятся эпюры М и N.

       Эпюры приведены на рис.3.3.

       Рисунок 3.3. Эпюры изгибающих моментов и перерезывающих сил.

       3.4. Проверка прочности  сечения обделки.

       Проверка  прочности тоннельной обделки должна выполняться  по вычисленным усилиям (изгибающим моментам и нормальным силам) в соответствии со СНиП 2.03.01.–84 с учётом особенностей, изложенных в СНиП 11-44-78.

       В курсовом проекте  необходимо выполнить  расчёт для трёх наиболее характерных сечений:

• для замкового сечения;
• для сечения в пяте обделки;
• для сечения с наибольшим отрицательным моментом.

       В соответствии со СНиП 2.03.01.–84 тоннельная обделка может расcчитываться как внецентренно сжатая конструкция.

       Эксцентриситет  рассчитывается по формуле:

       где М и N - изгибающий момент и нормальная (продольная) сила в рассматриваемом сечении;

       Расчёт  прочности тоннельной обделки для замкового  сечения:

       Эксцентриситет  находится за пределами  сжатой зоны, следовательно, сечение тоннельной обделки проверяется как работающее на изгиб по формуле:

       где - коэффициент, принимаемый для тяжелого и других видов бетонов равным 1;

       m - коэффициент, учитывающий неточность в назначении расчётной схемы монолитной бетонной обделки, принимаемый равным 0,9;

        - расчётное сопротивление бетона осевому растяжению, для бетона класса В40, ;

       b - ширина сечения, b=1м;

       h - высота сечения, h=0,65м.

       Условие не выполняется. 

       Расчёт  прочности тоннельной обделки для сечения с наибольшим отрицательным моментом (сечение №3): 

       Эксцентриситет  находится за пределами  сжатой зоны, следовательно, сечение тоннельной обделки проверяется как работающее на изгиб по формуле:

       Условие не выполняется. 

       Расчёт  прочности сечения  в пяте:

       Эксцентриситет  находится в пределах сжатой зоны, следовательно, сечение тоннельной обделки проверяется как работающее только на сжатие по формуле:

       где - расчётное сопротивление бетона осевому сжатию, для бетона класса В40, ;

        - коэффициент,  учитывающий влияние  прогиба на значение  эксцентриситета продольного усилия, ;