Перегонный тоннель метрополитена

МПС РФ Сибирский государственный университет путей сообщения Кафедра «Тоннели и метрополитены»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

Тема: «Перегонный тоннель метрополитена»

Руководитель: проф. Третьяков Ю.Н.

Разработал: студент группы МТ-512 Прибыткова Ю.Н.

2002 г.

• Аннотация
• Введение
• 1. Краткая характеристика местных условий строительства
• 1.1 Район строительства
• 1.2 Географические и климатические условия
• 1.3 Инженерно-геологические условия
• 2. Вариантное проектирование
• 2.1 Описание вариантов тоннельной обделки, сооружаемых открытым способом
• 2.1.1 Первый вариант
• 2.1.2 Второй вариант
• 2.1.3 Третий вариант
• 2.2 Описание вариантов тоннельной обделки, сооружаемых закрытым способом
• 2.2.1 Четвертый вариант
• 2.2.2 Пятый вариант
• 2.2.3 Шестой вариант
• 2.3 Выбор варианта обделки
• 2.4 Конструкция пути
• 3. Статический расчет
• 3.1 Выбор расчетной схемы
• 3.2 Определение нагрузок
• 3.3 Расчет тоннельных обделок
• 3.3.1 Обделка кругового очертания
• 3.3.1 Обделка прямоугольного очертания
• 4. Санитарно-технические устройства в эксплуатируемом тоннеле
• 4.1 Вентиляция тоннеля
• 4.2 Водоотвод и водоснабжение тоннеля
• 4.3 Энергоснабжение, освещение, сигнализация и связь
• 4.4 Противопожарные мероприятия
• 5. Производство работ
• 5.1 Общая схема сооружения тоннеля
• 5.2 Конструирование и расчет щита
• 5.2.1 Определение геометрических параметров щита
• 5.2.2 Определение сопротивлений преодолеваемых щитом
• 5.3 Сооружение тоннеля щитовым способом
• 5.3.1 Разработка грунта
• 5.3.2 Погрузка и транспортировка грунта
• 5.3.3 Определение производительности комплекса
• 5.3.4 Возведение обделки
• 5.4 Нагнетание за обделку и гидроизоляционные работы
• 5.5 Вентиляция, водоотлив и освещение в период строительства
• 5.5.1 Вентиляция
• 5.5.2 Водоотвод
• 5.5.3 Освещение
• 5.6 Составление циклограммы работ на проходку тоннеля и монтаж обделки
• 5.7 Определение объемов основных работ
• 5.8 Календарный план строительства
• 6. Организационно-техническая подготовка строительного производства
• 6.1 Организация строительной площадки
• 6.2 Временные здания и сооружения
• 6.3 Организация складского хозяйства
• 6.4 Снабжение строительства сжатым воздухом
• 6.5 Теплои водоснабжение строительства
• 6.6 Электроснабжение строительства
• 7. Мероприятия по охране труда
• 7.1 Общая часть
• 7.2 Расчет основных параметров обеспечения жизнедеятельности на период аварии
• 7.3 Общие правила поведения ИТР и рабочих при возникновении аварии
• 8. Расчет и организация защитных режимов производства работ в условиях радиоактивного заражения местности
• 8.1 Исходные данные
• 8.2 Прогнозирование радиационной обстановки на объекте
• 8.3 Режимы работы рабочих и служащих в условиях радиоактивного заражения
• 9. Сметные расчеты
• Список использованной литературы

Аннотация

В соответствии с заданием запроектирован перегонный тоннель метрополитена. В данном проекте рассмотрено шесть вариантов конструкций обделок их технико-экономическое сравнение. Произведен статический расчет выбранных вариантов обделок. Разработаны вопросы производства работ и организации строительства. Выполнены сметные расчеты. Данным проектом также предусмотрены вопросы техники безопасности и гражданской обороны.

Проект перегонного тоннеля метрополитена выполнен в соответствии с заданием и нормами на проектирование, строительства и сдачу в эксплуатацию тоннелей и метрополитенов [1−5].

При проектировании использовались материалы учебной литературы, учебных пособий [11−15], а также методических указаний [16−19].

В данном проекте предусмотрено сооружение перегонного тоннеля метрополитена с помощью механизированного щитового проходческого комплекса КТ-5,6Д2 с обделкой из железобетонных ребристых блоков, обжатых в грунт, а также открытым способом с возведением сборной обделки прямоугольного очертания. Выполнен статический расчет обделок. Разработаны вопросы организации строительства, составлен календарный план строительства, выполнены сметно-финансовые расчеты строительства. Рассмотрены вопросы гражданской обороны и техники безопасности.

1. Краткая характеристика местных условий строительства

1.1 Район строительства

Строительство линии метрополитена ведется тоннельным отрядом в городе Новосибирске. В городе имеется развитая сеть заводов по производству железобетонных конструкций и изделий, которые способны обеспечить бесперебойное снабжение строительства необходимыми конструктивными элементами.

Песок и щебень для приготовления строительных смесей поставляются с местных карьеров, расположенных в близлежащих районах.

Проектируемая линия метрополитена проходит под городской улицей, рассчитанной на пропуск четырех полос автомобильного движения. Расположение зданий и сооружений таково, что делает возможной проходку тоннеля мелкого заложения без их усиления. Мелкое заложение тоннеля обеспечивает наибольшее удобство пассажирам и имеет по сравнению с глубоким заложением лучшие эксплуатационные и экономические показатели.

Перед началом строительства с участка открытого способа работ необходимо выполнить перенос линий канализации, водопровода и теплотрассы.

1.2 Географические и климатические условия

Самой главной особенностью климата Новосибирска, как и всей Западной Сибири, является его резкая континентальность.

В зимнее время на территории Сибири создается область высокого атмосферного давления (Сибирский антициклон). Новосибирск с октября по апрель попадает под его влияние и поэтому здесь холодные и ветреные зимы.

перегонный тоннель метрополитен строительство Зима в Новосибирске отличается суровостью и продолжительностью. Начинается она в последних числах ноября и продолжается до конца марта. При средней температуре января минус 18,8° C абсолютный минимум может достигать минус 50° С. Новосибирская зима на 10° холоднее зимы в Европейской части России на той же широте, но лето довольно жаркое — средняя температура июля плюс 19° С (рис. 1.1).

Удаленность Новосибирска от океана обусловливает сравнительно небольшое количество осадков — 442 мм и их своеобразное распределение в течение года. В теплое время, с апреля по октябрь выпадает более 75% годового количества осадков (рис. 1.2).

" Жгучесть" морозам первой половины зимы придают сильные ветры. В соответствии с влиянием Сибирского антициклона, ось которого проходит южнее Новосибирска, уже с осени устанавливаются юго-западные ветры (рис. 1.3).

Рисунок 1.1 — Температурные характеристики

Рисунок 1.2 — Характеристики осадков

Рисунок 1.3 — Характеристики осадков: а — декабрь-февраль, б — июнь-август.

1.3 Инженерно-геологические условия

Геологические условия на участке проектируемого перегонного тоннеля характеризуются наличием непросадочных грунтов средней степени водонасыщения. В основном это — супеси и суглинки. Большей частью тоннель проходит в толще твердого, легкого лессового суглинка, подстилаемого песчанистой супесью. Далее супесь последовательно сменяется гранитным массивом и прослойкой тяжелого элювиального суглинка. На всем протяжении тоннеля верхний слой сложен из насыпного грунта, представляющего собой смесь суглинков и супесей со строительным мусором, шлаком, бытовыми отходами, обломками кирпича. На участке начиная с ПК82+65 и до ПК83+72 тоннель полностью проходит в слое грунта антропогенного происхождения, характеризуемого относительной деформацией просадки 0,015−0,071.

По степени морозоопасности супеси — сильнопучинистые, а насыпной грунт и суглинки — среднепучинистые. Нормативная глубина промерзания суглинков — 220 см, супесей — 268 см. При механическом воздействии легко теряют структурную прочность и переходят в текучепластчное и текучее состояние.

Подземные воды неагрессивны для бетонов любой марки по водонепроницаемости. По степени агрессивного воздействия на арматуру железобетонных конструкций вода слабоагрессивная. По степени агрессивного воздействия на металлические конструкции при свободном доступе кислорода и интервале температур от 0° до 50 °C и скорости движения до 1м/с по суммарной концентрации сульфатов и хлоридов подземные воды среднеагрессивные.

Таблица 1.1 — Характеристики грунтов

I — насыпной грунт; II — суглинок лессовый; III — суглинок элювиальный; IV — супесь песчаная; V — супесь серая; VI — гранит.

2. Вариантное проектирование

2.1 Описание вариантов тоннельной обделки, сооружаемых открытым способом

2.1.1 Первый вариант

Первый вариант обделки перегонного тоннеля метрополитена представлен в виде монолитной железобетонной обделки, состоящей из двух сдвоенных секций, изготовляемых в заводских условиях и устанавливаемых с помощью козлового крана. Высота секций равна 5,3 м, а ширина каждой секции составляет 4,6 м. Внутренний размер назначается в соответствии с габаритом приближения строений. Поверхность обделки отстоит от габарита на 100 мм. Толщина обделки равная 300 мм задана исходя из опыта проектирования аналогичных по размерам и условиям заложения перегонных тоннелей. Длина секции принимается равной 980 мм.

2.1.2 Второй вариант

Во втором варианте рассмотрен перегонный тоннель метрополитена с обделкой двухпролетной конструктивной формы, выполненной из монолитного железобетона в виде жесткой двухпролетной рамы. Высота секций 5,55 м, ширина 9,8 м. Внутренний размер обделки назначается аналогично первому варианту. Толщина обделки принимается равной 400 мм, а толщина понизу равна 450 мм.

2.1.3 Третий вариант

В третьем варианте рассмотрен перегонный тоннель метрополитена с обделкой двухпролетной конструктивной формы, выполненной из железобетонных элементов. Обделка состоит из восьми элементов пяти типов: двух блоков перекрытия (ребристого сечения), двух боковых стеновых, трех лотковых и одного блока средней стенки (сплошного сечения). Ширина блоков перекрытия и боковых стеновых 1,49 м, блоков лотка и средней стенки — 3 м.

В средней стенке обделки по условиям эксплуатации тоннелей предусматривают проемы шириной 1,2 м и высотой 2 м, расположенные через 3 м между их осями. Эти проемы выполняют роль ниш, предназначенных для укрытия находящихся в тоннеле людей во время прохода поезда.

2.2 Описание вариантов тоннельной обделки, сооружаемых закрытым способом

2.2.1 Четвертый вариант

Четвертый вариант-обделка круглого очертания из блоков сплошного сечения. Такая обделка представляет собой цилиндрическую трубу из последовательно смонтированных колец шириной 1 м.

Внутренний радиус обделки устанавливается с учетом строительного запаса (мм):

(2.1)

где — радиус габарита приближения строений перегонных тоннелей метрополитена кругового очертания, равный 2450 мм.

Таким образом, внутренний радиус обделки принимается равный 2550 мм.

Высота сечения обделки определяется по формуле:

(2.2)

где — коэффициент, зависящий от материала обделки (принимается =7,5 для класса В30);

— коэффициент крепости грунта, равный 0,5.

Кольцо обделки состоит из трех типоразмеров: лотковых, замковых и нормальных.

Центральный угол замкового элемента составляет:

(2.3)

где — длина дуги замкового элемента, м.

Центральный угол плоского лотка определяется из условия:

(2.4)

где — ширина лоткового элемента, м.

Центральный угол нормальных элементов уточняется по формуле:

(2.5)

где — количество нормальных элементов в кольце.

Таким образом, четвертый вариант представляет собой кольцо из шести нормальных, одного лоткового блока с плоской внутренней поверхностью и трех замыкающих вкладышей. Высота сечения блоков 200 мм. Связь между кольцами отсутствует.

2.2.2 Пятый вариант

В данном варианте представлена сборная железобетонная обделка из ребристых блоков. Эта обделка отличается от тюбинговой увеличенной толщиной оболочки и бортов тюбинга. Продольные стыки устраиваются плоскими с монтажными шпильками. Поперечные стыки между кольцами предусмотрены с монтажными болтовыми связями. После завершения монтажа кольца и проведения контрольного нагнетания болты заменяются на короткие стальные шпильки.

Длина дуги клинового замкового элемента = 0,4 м, толщина обделки h= 0,3 м, ширина лоткового элемента = 2,55 м.

По формулам (2.3−2.5) находим углы: клиновидного блока

лоткового блока:

смежных блоков принимаем 55,38 и 55,57

нормального блока:

Кольцо обделки состоит из трех нормальных, двух смежных, лоткового и ключевого блоков.

2.2.3 Шестой вариант

Шестой вариант — сборная железобетонная обделка, обжатая в грунт. Обделка состоит из шести нормальных блоков и одного лоткового блока, четырех бетонных вкладышей В-2 и двух вкладышей В-1. Высота сечения обделки, как и в четвертом варианте равна 280 мм, угол нормального блока — 5000, лоткового блока — 5400. Блоки обделки соединяют между собой металлическими шпильками М-27 длиной 170 мм (14 шт.).

Для размещения и устойчивости разжимаемых домкратов, концентрации развивающихся усилий в необходимом направлении и избежания возможных сколов в торцах лоткового блока предусмотрены гнезда размером 150×400 мм с плоскостью упора, расположенной перпендикулярно обделке.

2.3 Выбор варианта обделки

Результат расчета стоимости строительства вариантов тоннеля по укрупненным расценкам, приведенный в табл.2.1 показал, что наиболее низкую стоимость имеют варианты 1 (ЦСО) и 4 (из блоков сплошного сечения).

Кроме относительно низкой стоимости, к положительным качествам цельносекционной обделки можно отнести также стопроцентную заводскую готовность секций, заранее покрытых с внешней стороны гидроизолирующим составом. Это позволяет отказаться от трудоемких работ по гидроизоляции обделки в процессе монтажа. Ее главный недостаток — сложность обеспечения должного качества швов между секциями.

Монолитная обделка варианта 2 отличается перерасходом бетона, длительными сроками сооружения и высокой стоимостью. В противоположность ей, вариант 3 — обделка из сборных железобетонных элементов заводского изготовления — позволяет вести монтаж быстрыми темпами. Кроме того, вариант 3 имеет преимущество и над вариантом с применением цельносекционной обделки за счет меньшей массы и габаритов блоков. Благодаря этому улучшаются условия транспортировки, а на монтаже требуется крановое оборудование меньшей грузоподъемности.

Обделка круглого очертания из блоков сплошного сечения отличается простотой конструкции, малым количеством типоразмеров блоков. Однако, из-за отсутствия связей в стыках эта обделка обладает повышенной деформативностью. Это может явиться причиной нарушения гидроизоляции швов и неравномерной осадки колец по длине тоннеля. Конструктивные решения, позволяющие устранить этот недостаток, повышают трудоемкость монтажа.

Таблица 2.1 — Стоимость вариантов

Вариант 5, в котором применены ребристые железобетонные блоки, благодаря перевязке продольных стыков имеет повышенную жесткость и устойчивость обделки как поперек, так и вдоль оси тоннеля. Обделка из ребристых блоков удобна на монтаже и обеспечивает близкую к проектной форму в условиях неравномерной нагрузки на кольцо и в грунтах с относительно невысоким коэффициентом упругого отпора.

Дальнейшим развитием варианта 5 является вариант 6 — обделка из ребристых блоков, обжатая в грунт. Благодаря разжатию, обеспечивается немедленное включение обделки в работу с окружающим массивом, исключается первичное и сокращается контрольное нагнетание цементного раствора за обделку.

Таким образом, для сооружения открытым способом принята обделка по варианту 3 из сборных железобетонных элементов, а для сооружения закрытым способом — обделка по варианту 6, обжатая в грунт.

2.4 Конструкция пути

Путь в проектируемом перегонном тоннеле устроен на лежневом железобетонном основании. Железобетонные лежни контактируют с путевым бетонным слоем через амортизирующие прокладки. Путь со свободно лежащем на подлежневом основании не содержит прямых поперечных связей между лежнями под правой и левой рельсовыми нитями. Стабильное положение лежней достигается за счет устройства в путевом бетоне продольных и боковых упоров, исключающих возможность смещения лежней (а, следовательно, и рельсовых плетей) в продольном и поперечном горизонтальном (в сторону тоннельной обделки) направлениях.

С целью исключения возможности смещение рельсовых плетей (вместе с лежнями) в сторону оси пути при изломе рельса внутренней нити кривой в зоне продольных упоров предусмотрена установка боковых (со стороны лотка) съемных накладок с упругими прокладками. Контакт железобетонных лежней с путевым бетоном осуществляется через резиновые прокладки, содержащие специально подобранные по форме и размерам рифли. При этом каждая подлежневая прокладка состоит из двух клинообразных элементов. Наклонная поверхность этих элементов выполнена со скосом 1: 15. Смещением при необходимости одного элемента относительно другого обеспечивается возможность плавной регулировки положения лежней (а, следовательно, и рельсовых нитей) в диапазоне 10 мм в вертикальном направлении. Установка регулировочных прокладок между боковой поверхностью лежней и путевым бетоном (со стороны тоннельной обделки) позволяет выполнять регулировку рельсовой нити (вместе лежнями) в плане.

С левой стороны пути по направлению движения поезда устанавливают контактный рельс, взаимодействующий с токоприемниками подвижного состава. Его подвешивают головкой вниз на металлических кронштейнах, которые крепят к концам лежней. Для обеспечения электробезопасности контактный рельс сверху и по бокам закрывают защитным коробом.

3. Статический расчет

3.1 Выбор расчетной схемы

Рисунок 3.1 - Расчетная схема обделки прямоугольного очертания

Рисунок 3.2 — Расчетная схема обделки кругового очертания

Прямоугольная обделка состоит из восьми элементов пяти типов: двух блоков перекрытия (ребристого сечения), двух боковых стеновых, трех лотковых и одного блока средней стенки (сплошного сечения). Лотковые и стеновые блоки имеют выпуски арматуры, которые на монтаже свариваются и стыки омоноличиваются. Блоки перекрытия опираются на стеновые блоки шарнирно. Таким образом, расчетная схема обделки прямоугольного очертания — это двухпролетная рама опертая на упругое основание. Так как схема симметрична, то рассматриваем только половину обделки, заменяя внутренние усилия в «разрезанных» блоках постановкой опор (рис. 3.1).

Обделка круглого очертания возводится из сборных железобетонных элементов ребристого поперечного сечения с центрированными стыками. Расчетная схема представляет собой многошарнирное кольцо, геометрическая неизменяемость которого обеспечивается совместной работой с окружающим грунтом. Шарниры устанавливаются в местах всех продольных стыков.

3.2 Определение нагрузок

На обделку тоннеля действуют вертикальные нагрузки от собственного веса конструкций, давления расположенных выше слоев грунта, а также горизонтальное давление грунтового массива. Кроме того, следует учесть вертикальное давление от автомобильной нагрузки А11 и НК-80.

Мелкое заложение тоннеля не позволяет применить гипотезу сводообразования, поэтому вертикальное давление определяется от всей толщи грунта над выработкой:

(3.1)

где_i — объемный вес i-того слоя грунта;

h_i — толщина i-того слоя грунта;

_f — коэффициент надежности по нагрузке, равный = 1,1.

Собственный вес конструкций принимается как распределенная по пролету выработки нагрузка. Для обделки круглого очертания нагрузка от собственного веса равна весу блоков G, расположенных выше горизонтального диаметра обделки, деленному на его размер D = 5,66 м:

(3.2)

где_б — объемный вес железобетона, 25 кН/м³;

V_б — объем железобетона на кольцо, 3,66 м³.

Таким образом, ;

При расчете обделки прямоугольного очертания в качестве нагрузки от собственного веса учитывается вес блоков перекрытий G=40,2 кН, распределенный по пролету L = 4,46 м:

(3.3)

здесь и в (3.2) _f — коэффициент надежности по нагрузке, равный _f = 1,1.

Таким образом,

Давление от автомобильной нагрузки АК и НК-80 может быть найдено по формулам:

(3.4)

(3.5)

Где H — толщина слоя грунта над обделкой;

К — класс нагрузки, К=11;

— коэффициенты надежности, равные соответственно 1,4 и 1,1.

Горизонтальное давление грунта определяется по формуле:

(3.6)

где — угол внутреннего трения грунта.

_f — коэффициент надежности по нагрузке, равный = 1,2.

Над тоннелем расположены два слоя грунта — суглинок и насыпной грунт, имеющие следующие характеристики:

объемный вес ₁ = 17,85 кН/м3; ₂ = 16,97 кН/м3;

угол внутреннего трения ₁ = 20°; ₂ = 26°;

Над обделкой прямоугольного очертания наибольшая мощность этих слоев составляет соответственно 3,0 м и 3,5 м. Над обделкой круглого очертания — 5,43 м и 2,32 м. Результаты расчета нагрузок приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1 - Нагрузки

Из полученных значений давления от автомобильных нагрузок выбирается большее.

3.3 Расчет тоннельных обделок

Расчет тоннельной обделки выполняется методом конечных элементов по программе TUN2, разработанной коллективом кафедры САПР МИИТа под руководством Н. Н. Шапошникова.

В качестве конечного элемента принят прямолинейный стержень на упругом основании, соответствующем гипотезе Винклера. Расчетная схема обделки — ломаный стержень на упругом основании, заменяемом упругими элементами, жесткостные характеристики которых определяются коэффициентом упругого отпора и размерами конструкции.

Расчет начинается с построения геометрии тоннельной обделки. Тоннельная обделка и нагрузка на нее симметричны, поэтому рассчитываем половину обделки с учетом влияния отброшенной части.

3.3.1 Обделка кругового очертания

Исходные данные, необходимые для расчета:

радиус R₀= 2,83 м;

коэффициент упругого отпора К=1,9510⁴ кН/м³;

толщина нормальных тюбингов Т=0,28 м;

толщина лотковых тюбингов Т=0,56 м;

модуль упругости для бетона В30 Е=3,2510⁷ кН/м²;

горизонтальная нагрузка q₂=80,21 кН/м;

суммарная вертикальная нагрузка

q = q₁+q_АК+g=149,95+29, 19+8,86=188 кН/м;

В результате проведенного расчета получена таблица внутренних усилий (табл.3.2).

Таблица 3.2 — Усилия в элементах

Эпюра изгибающих моментов и продольных сил, возникающих в сечениях блоков обделки, показаны на рисунке 3.3.

Как правило, наиболее опасными являются те сечения, в которых действуют наибольшие изгибающие моменты.

Как видно из табл.3.2 и эпюр, для нормальных блоков это сечение с моментом, равным 50.835 кНм (продольная сила равна 312,08 кН), а для лоткового блока — с моментом, равным 154,738 кНм (продольная сила равна 681,10 кН). Таким образом, для того, чтобы уточнить размеры блоков, а также подобрать их армирование, надо выполнить проверки указанных сечений по прочности.

Блоки обделки работают как внецентренно сжатые элементы.

Поэтому внутренние усилия в сечениях сводятся к продольной силе, приложенной с эксцентриситетом e, определяемым по формуле:

(3.7)

Где e₀ — расчетный эксцентриситет, равный отношению изгибающего момента к продольной силе;

h — высота сечения (0,28 м для нормального блока и 0,56 м для лоткового);

a — толщина защитного слоя растянутой арматуры, а = 0,02 м;

— коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле:

(3.8)

Где N_cr — критическая сила при центральном сжатии, вычисляемая по формуле:

(3.9)

Где E_b — начальный модуль упругости бетона (E_b = 3,2510¹⁰ Па);

I_b — момент инерции бетонного сечения;

l₀ — расчетная длина элемента обделки;

_l — коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки на прогиб элемента в предельном состоянии (для тяжелого бетона _l = 2);

— коэффициент, учитывающий относительную величину прогиба, и равный отношению расчетного эксцентриситета е₀ к высоте сечения h.

Коэффициент берется не менее min, вычисляемого по формуле:

(3.10)

Где R_b — расчетное сопротивление бетона сжатию в МПа (R_b = 15,5 МПа).

Расчетная длина элемента принимается по аналогии с арочными конструкциями. Для элементов сборных обделок она равна:

(3.11)

Где S — длина элемента по осевой линии (S=5,334 м для лоткового блока и S=4,939 м для нормального).

Рисунок 3.4 — Расчетные сечения блоков: а — нормального, б — лоткового

Расчетные сечения блоков показаны на рис 3.4 Сечение лоткового блока имеет простую прямоугольную форму и вычисление его момента инерции производится по известной формуле. Несколько сложнее определяется момент инерции сечения нормального блока:

площадь сечения

A_b = 0,281−0,14 (1−20,15) = 0.182 м²;

статический момент относительно сжатой грани:

S_x = 0,2810,14−0,14 (1−20,15) 0,14/2= 0.0323 м³;

расстояние от сжатой грани до центра тяжести сечения:

момент инерции сечения:

Дальнейший расчет производится в зависимости от значения относительной высоты сжатой зоны и ее предельного значения _R, при котором значения напряжений в бетоне и арматуре одновременно достигают соответствующих расчетных сопротивлений:

(3.12)

Где _{sc,u -} предельное напряжение в арматуре сжатой зоны, _sc,u = 500 МПа;

R_s — расчетное сопротивление арматуры, R_s = 280 МПа;

— характеристика сжатой зоны бетона, для тяжелого бетона определяемая по формуле:

(3.13)

Таким образом: ;

Сжатая зона бетона в рассчитываемом нормальном блоке располагается в ребрах, суммарная толщина которых равна b = 30 см. Лотковый блок в поперечном сечении имеет вид прямоугольника. Поэтому расчет обоих блоков производится как для прямоугольного сечения шириной b. При этом высота сжатой зоны определяется по формуле:

(3.14)

Где A_s и A_s' - соответственно площади растянутой и сжатой арматуры.

Для армирования блоков примем симметричное армирование по четыре сжатых и растянутых стрежня диаметром 10 мм из арматуры класса АII. Следовательно, площади будут равны:

Таким образом: — для нормального блока

;

;

для лоткового блока

; .

Как видно, полученные значения относительных высот сжатой зоны меньше предельного значения _R. Поэтому проверку прочности можно произвести по формуле:

(3.15)

Таким образом:

нормальный блок:

— запас 0,7%.

лотковый блок:

— запас 16,1%.

3.3.1 Обделка прямоугольного очертания

Обделка открытого способа работ собирается из железобетонных блоков нескольких типов. В дипломном проекте приведен расчет одного из них — плиты перекрытия (блок 4м-1). Основные конструктивные размеры плиты показаны на рис. 3.5.

Рабочая высота плиты h₀ принята по формуле:

(3.16)

Где q — нагрузка на плиту без учета собственного веса (см. табл.3.1), q=q₁+q_АК=157 кН/м;

R_b — расчетное сопротивление бетона плиты сжатию, R_b=15,5 МПа;

l — пролет плиты, l = 4,46 м.

Следовательно,

.

Конструктивная высота плиты h_пл обычно принимается на 15 см больше рабочей и кратной 5 см. Поэтому, h_пл=75 см.

Рисунок 3.5 — Конструкция плиты перекрытия

Суммарная толщина ребер b определяется по формуле:

(3.17)

В формуле (3.17) b_пл — номинальная ширина плиты, 150 см, остальные обозначения — те же, что и в (3.16).

Таким образом,

Конструктивная толщина ребер принимается с учетом размещения арматуры, поэтому b = 28 см.

Толщина верхней полки плиты определяется по формуле:

(3.18)

Таблица 3.3 — Усилия в элементах прямоугольной обделки

Результаты расчета усилий в элементах обделки по принятым размерам и нагрузкам (см. таблицу 3.1) приведен в таблице 3.3 и на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 — Эпюры усилий в элементах прямоугольной обделки

Плиту необходимо рассчитать на местный изгиб полки и на общий изгиб со сжатием.

Рисунок 3.7 — Расчетная схема полки

Полка работает на местный изгиб в плоскости, перпендикулярной плоскости общего изгиба. Опорами полки служат ребра плиты. Нагрузка, действующая на полку, равна сумме нагрузок от давления грунта q₁=124,23 кПа, подвижной нагрузки q_АК=33,13 кПа и собственного веса полки q_св=0,25 кПа (на 1 см толщины полки). Таким образом, суммарная нагрузка составляет q=124,23+33,13+7?0,25=157,33 кПа. Максимальный изгибающий момент возникает в сечении, расположенном над ребром (см. рисунок 3.7):

На действие изгибающего момента полка рассчитывается как элемент прямоугольного сечения с рабочей арматурой в растянутой зоне. Для армирования полки приняты десять стержней арматуры класса А-III диаметром 8 мм c расчетным сопротивлением R_s=355 МПа.

Несущая способность такого сечения определяется по формуле:

(3.19)

гдеh₀ — полезная высота сечения, равная расстоянию от сжатой грани сечения до центра тяжести растянутой арматуры, h₀ = 5 см;

b — расчетная ширина сечения, равная 1 м;

x — высота сжатой зоны бетона, определяемая по формуле:

(3.20)

где A_s — площадь растянутой рабочей арматуры,

;

Таким образом: ;

— запас 7,8%.

В целом, плита перекрытия работает как внецентренно сжатый элемент (см. рисунок 3.6). Опасное сечение располагается в середине пролета плиты. В нем действуют усилия M = 3882 кНм и N = 1240 кН.

Для армирования сечения приняты четыре стержня растянутой арматуры класса А-III диаметром 22 мм (по два в каждом ребре) и четыре стержня сжатой арматуры того же класса диаметром 10 мм (рис. 3.8). Таким образом, площади сечений растянутой и сжатой арматуры соответственно равны:

;

Кроме указанных величин, для дальнейших расчетов понадобиться отношение модулей упругости арматуры и бетона

а также следующие характеристики сечения:

расстояние от сжатой грани до центра тяжести растянутой арматуры a_s = 0,041 м;

расстояние от сжатой грани до центра тяжести растянутой арматуры a`_s = 0,045 м;

полезная высота сечения h₀ = h_пл — а_s = 0,75 — 0,041 = 0,709 м;

площадь бетона полки A_b1 = b_пл h_f = 1,5 0,07 = 0,1050 м²;

площадь бетона ребер A_b2 = b (h_пл — h_f) = 0,28 0,68 = 0, 1904 м²;

статический момент сечения полки относительно растянутой грани сечения, S_b1 = A_b1 (h_пл — 0,5h_f) = 0,105 0,715 = 0,075 м³;

статический момент сечения ребер относительно растянутой грани сечения, S_b2 = 0,5A_b2 (h_пл — h_f) = 0,5 0, 1904 0,68 = 0,065 м³;

статический момент арматуры относительно растянутой грани сечения, S_s = A_s a_s +A`<sub>s</sub> (h<sub>пл</sub> — a`_s) = 15,210^-4 0,041 + 3,110^-4 0,705 = = 0,28 м³;

положение центра тяжести приведенного сечения относительно растянутой грани,

собственный момент инерции сечения полки

собственный момент инерции сечения ребер

момент инерции бетонного сечения:

момент инерции арматуры

Рисунок 3.8 - Расчетное сечение плиты

Расчет плиты ведется в зависимости от эксцентриситета приложения нормальной силы, равного:

(3.21)

Так как величина эксцентриситета, очевидно, больше ядрового расстояния, то целью дальнейшего расчета является проверка прочности элемента. Коэффициент влияния прогиба на прочность элемента, учитываемый в таком случае, зависит от значения критической силы (3.8). Для железобетонных элементов она определяется по формуле:

(3.22)

Где ₁ — коэффициент, принимаемый равным ₁=2;

l₀ — расчетная длина элемента, равная пролету плиты l₀=4,46 м;

_p — коэффициент, в отсутствие предварительного напряжения принимаемый равным единице;

— коэффициент, учитывающий относительную величину прогиба, и равный отношению расчетного эксцентриситета е_c к высоте сечения h,

.

Коэффициент берется не менее _min, вычисляемого по формуле (3.10):

Таким образом:

Несущая способность внецентренно сжатого железобетонного элемента по прочности определяется по формуле:

(3.23)

где e₀ — расчетный эксцентриситет, определяемый по формуле:

(3.24)

гдеe — расстояние от точки приложения продольной силы до равнодействующей усилий в растянутой арматуре,

e = e_c + (z_{c, red} — a_s) = 3,131 + (0,462 — 0,041) = 3,552 м.

Следовательно,

Высота сжатой зоны может быть найдена по формуле:

(3.25)

Таким образом:

— запас 3,9%.

Значит, выбранные размеры сечения и армирование достаточны для восприятия действующих нагрузок.

4. Санитарно-технические устройства в эксплуатируемом тоннеле

4.1 Вентиляция тоннеля

Вентиляция тоннеля необходима для поддержания предельно допустимых концентраций различных вредных примесей (пыли, углекислого и других газов), а также необходимой температуры и влажности воздуха.

Так как в Новосибирске средняя температура самого холодного месяца намного ниже 0С, то применены два режима вентиляции с искусственным побуждением — зимний и летний.

В зимний период вентиляционная установка, расположенная на перегоне, работает на приток, а вентиляционные установки на станциях — на вытяжку. Таким образом, зимой на станцию попадает теплый воздух, согреваемый тепловыделениями от подвижного состава и оборудования. Летом вентиляционная установка на перегоне работает на вытяжку, а станционные — на приток воздуха.

Для вентиляции тоннеля метрополитена используется обычный наружный городской воздух, без какой — либо очистки.

Количество воздуха, которое требуется для вентиляции линии метрополитена, определяется расчетом.

4.2 Водоотвод и водоснабжение тоннеля

В тоннель может поступать грунтовая вода, просачиваясь через обделку, вода из служебных и производственных помещений, от мытья перегонного тоннеля. Для удаления воды самотеком предусмотрены поперечные и продольные уклоны верхнего строения пути.

На всем протяжении перегонного тоннеля с левой стороны пути по направлению движения поезда устроена открытая водоотводная канава. Поверхности бетона придан поперечный уклон не менее 2 _о и продольный от 3 _о до 36 _о.

По лоткам вода стекает к основной водоотливной установке и откачивается насосами в систему городских водостоков.

4.3 Энергоснабжение, освещение, сигнализация и связь

Электроснабжение тоннеля осуществляется от городской сети. Электроэнергия, поступающая от источников электроснабжения в виде трехфазного переменного тока напряжением 6 кВ, преобразуется при помощи тяговых и понизительных подстанций в электрический ток более низких напряжений и подается к потребителям.

На электропоездах тяговые двигатели постоянного тока получают электроэнергию напряжением 826 В. К электропроводам санитарно-технических установок подводят ток напряжением 380 и 220 В. Для освещения тоннеля лампами накаливания и люминесцентными лампами применяется переменный ток напряжением 220 В.

Устройства СЦБ и связи, обеспечивающие пропускную способность линии и безопасность движения поездов, потребляют электроэнергию переменного тока напряжением 380 В или 220 В, устройства АТДП-220 В.

Для электроснабжения используется децентрализированная система, то есть тяговая подстанция расположена с понизительной вместе возле станций.

Децентрализированная система электроснабжения имеет следующие достоинства:

значительное сокращение длины высоковольтной кабельной сети, так как отпадает необходимость в высоковольтных линиях между тяговой и понизительной подстанциями;

значительное сокращение длины электротяговой сети постоянного тока, идущей от тяговой подстанции;

снижение потерь напряжения в тяговой сети;

уменьшение блуждающих токов.

4.4 Противопожарные мероприятия

Для предотвращения возможных пожаров, а также для быстрой ликвидации очагов пожара в тоннеле приняты специальные меры.

Конструкции обделки и устройств имеют минимальный предел огнестойкости.

Перегон снабжен автоматической пожарной сигнализацией, при которой сразу блокируются въезды на перегон. Так же тоннель снабжен системой автоматического пожаротушения. Кроме того, через каждые 100 м установлены пожарные краны с расходом воды на каждую струю по 2,5 л/с.

При срабатывании сигнализации поезд выводится из тоннеля, а перегон обесточивается.

При этом включается система отсоса дыма и гари через вытяжную вентиляционную установку на максимальную мощность. При работе в течении 20 минут на максимальном уровне вентиляционная — установка справляется с выделениями газа и дыма при сгорании 12 тонн кабеля.

5. Производство работ

5.1 Общая схема сооружения тоннеля

Для проходки перегонного тоннеля метрополитена закрытого способа работ с возведением сборной железобетонной обжатой обделки в глинистых грунтах предназначен комплекс КТ-5,6Д2, оснащенный экскаваторным рабочим органом.

В состав комплекса входят:

механизированный щит,

породопогрузочная машина с ленточным транспортером,

транспортный мост с ленточным транспортером,

блокоукладчик с двуручными механизмами для установки блоков и механизмом передвижки,

рольганг,

кран-перегружатель,

устройство для обжатия обделки,

система пылеподавления,

кран-балка для разгрузки блоков с автомобиля,

электрооборудование.

Таблица 5.1 — Технические характеристики комплекса КТ-5,6Д2

5.2 Конструирование и расчет щита

Применительно к щиту кругового очертания можно выбрать следующие основные конструктивные элементы:

ножевое кольцо, предназначенное для подрезания мягких грунтов и усиления несущей конструкции щита;

опорное кольцо — основная несущая часть конструкции щита, в которой размещаются щитовые домкраты;

оболочка щита, служащая для ограждения места работ по возведению обделки от вывалов грунта;

щитовые домкраты, с помощью которых производится передвижка щита;

вертикальные и горизонтальные перегородки, предназначенные для увеличения жесткости щита, разделения забоя на рабочие ячейки и установки выдвижных платформ и устройств для крепления забоя.

5.2.1 Определение геометрических параметров щита

Основными геометрическими размерами являются диаметр и длина щита.

Наружный диаметр щита D_щ определяется формулой:

(5.1)

где D_щ — наружный диаметр обделки, м;

_з= (0,008−0,01) D_обд — строительный зазор между внутренним диаметром оболочки щита и наружным диаметром обделки, м;

_о — толщина оболочки принимаемая по таблице 2.1 19, м.

_з=0,0095,66=0,0509 м

Тогда D_щ = 5,66+0,0509+20,0405 = 5,79 м

Полная длина щита определяется размерами его основных частей:

(5.2)

где L_н — длина ножевого кольца, м;

L_ок — длина опорного кольца, м;

L_о — длина свободной части оболочки, м.

Длина ножевого кольца необходима для размещения исполнительного органа, её величину принимаем равной 1 м.

Длина опорного кольца зависит от длины щитового домкрата и назначается в пределах L_ок = (1,4…1,65) b; b= 1 м — ширина кольца обделки.

Длина свободной части оболочки:

(5.3)

где m₁= (1,2…2,2) b — длина перекрытия обделки, м;

m₂=0,6…0,7 м — длина выступающей части домкрата;

m₃=0,15 м — длина свободного промежутка между опорной площадкой плунжера и плоскостью кольцевого борта обделки.

L_о =1,71+0,65+0,15=2,5 м, L_щ = 1+1,5+2,5=5 м

Отношение длины к диаметру характеризует маневренность щита:

(5.4)

где — диаметр щита опорного кольца, м;

h_{0 -} высота сечения сегмента опорного (ножевого) кольца, определяемая по таблице 3.1 [19], м;

— внутренний диаметр щита по оболочке, м.

м

м

условие выполняется.

5.2.2 Определение сопротивлений преодолеваемых щитом

Расчет производится с целью установления необходимой мощности щитовых и забойных домкратов и учета их влияния на несущую конструкцию щита. Полное сопротивление, преодолеваемое щитовыми домкратами, определяется как сумма сопротивлений:

(5.5)

где лобовое сопротивление щита, кН;

сопротивление трению наружной поверхности щита по грунту, кН;

сопротивление трению обделки по оболочке, кН.

При проходке механизированным щитом .

(5.6)

(5.7)

где интенсивность вертикального давления грунта на щит, кН/м²;

высота свода обрушения или всей толщи грунта над верхом щита (при невозможности сводообрушения), 7,75 м;

— удельный вес грунта, среднее значение =17,7 кН/м³;

— вес щита, = 1540 кН;

— вес обделки, лежащей на оболочке, кН;

1 — коэффициент трения стали по грунту, 1 = 0,4;

коэффициент трения материала обделки по оболочке,

Интенсивность активного горизонтального давления грунта, кН/м²:

(5.8)

— угол внутреннего трения грунта, среднее значение = 23

кН/м^2,

кН/м2, кН,

кН,

кН,

кН,

кН

Полное расчётное усилие щитовых домкратов с коэффициентом запаса составляет:

(5.9)

Тогда кН

Усилие одного домкрата:

(5.10)

где n — число щитовых домкратов

кН

Принимаем 16 щитовых домкратов, с усилием при максимальном давлении 800 — 1200 кН.

Для разработки грунта применяем щит с экскаваторным исполнительным органом с трехзвенной стрелой. Технические характеристики данного щита приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 — Технические характеристики щита КТ-5,6Д2

5.3 Сооружение тоннеля щитовым способом

5.3.1 Разработка грунта

Механизированный щит комплекса КТ-5,6Д2 снабжен экскаваторным органом обратная лопата, стрела которого состоит из трех шарнирно соединенных звеньев. Трехзвенная конструкция стрелы увеличивает ее вылет, придавая ей компактность, необходимую для раздельной разработки верхней и нижней половин забоя при забойной горизонтальной перегородке с выдвижной площадкой.

Стрела для поворота в плане закреплена на турели, опирающейся на две горизонтальные перегородки в опорном кольце щита. Ножевое кольцо снабжено семью секциями выдвижного козырька.

Ковш обладает подвижностью в вертикальной плоскости. Экскаваторный орган щита разрабатывает грунт по всему сечению забоя, сбрасывая его вниз, где погрузочная машина через свой транспортер направляет грунт по транспортеру транспортного моста, затем в кузов автомобиля.

С целью поддержания устойчивости забоя корпус щита оборудован выдвижными шандорами. В процессе разработки грунта щит перемещается щитовыми домкратами.

Цикл разработки грунта равен циклу продвижения щита.

5.3.2 Погрузка и транспортировка грунта

Грунт на щитовой транспортер грузится машиной челюстного типа. Затем по транспортеру доставляется в хвостовой конвеер и разгружается в самосвалы.

Необходимое количество самосвалов определяется по формуле:

(5.11)

где Т_обор — время оборота автосамосвала, мин;

(5.12)

Т_погр — время погрузки, мин;

(5.13)

— эксплуатационная производительность, м³/мин; V_{2 -} емкость кузова самосвала, м³; ₂ — коэффициент наполнения кузова;

(5.14)

= 0,8 — коэффициент использования машины во времени;

k_р = 1,5 — коэффициент разрыхления грунта;

p^m — техническая производительность машины, м³/мин;

t₂ = 2 мин — время затрачиваемое на замену груженного самосвала порожним;

м³/мин.

мин.

Т_дв — время движения, мин;

(5.15)

l — расстояние от места погрузки до места разгрузки, м;

V_гр — скорость движения гружёного транспортного средства, V_гр=250 м/мин;

V_пор — скорость движения порожняка, V_пор=250 м/мин.

мин.

Т_разг = 3 мин — время разгрузки самосвала;

Т_ман = 8 мин — время на маневры в течении рейса.

Тогда Т_обор = 4+32+3+8=47 мин.

Подсчитываем необходимое количество самосвалов:

Принимаем 12 самосвалов КрАЗ-256, технические характеристики которых приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 — Характеристики КрАЗ-256

5.3.3 Определение производительности комплекса

Определим эксплутационную производительность Q_э всего проходческого щитового комплекса. Ее рассчитывают как месячную скорость проходки с учетом всех технологических операций и организационно-технических простоев, не зависящих от конструкции щита:

(5.16)

где 24 — количество суток работы в месяц;

4 — число смен в сутки;

Q_тех — техническая производительность;

k_э — коэффициент использования проходческого комплекса, учитывающий все виды простоев, в том числе затраты времени на техническое обслуживание и текущий ремонт проходческого оборудования, равный 0,6.

(5.17)

где k_тех — коэффициент использования щита, равный 0,65;

Т — продолжительность смены, ч;

Q_т — теоретическая производительность щита, равная скорости проходки и возведения обделки.

м/смен.

м/мес.

5.3.4 Возведение обделки

Щитовая проходка предусматривает механизированное возведение обделки из сборных элементов. Обделку монтируют под защитой оболочки щита. После продвижения щита и схода обделки с оболочки образуется строительный зазор, который ликвидируется путем обжатия обделки в грунт.

Обделка перегонного тоннеля монтируется в такой последовательности: первым устанавливается лотковый блок. В гнезда уложенного лоткового блока устанавливаются гидродомкраты, развивающие усилие 300 кН, а затем поочередно с правой и с левой сторон монтируются остальные блоки обделки. При монтаже кольца маркшейдер проверяет правильность его положения в плане и профиле. В стыки блоков устанавливаются по две металлические шпильки. Для устойчивости кольца блоки во время монтажа поддерживаются выдвижными опорными балками блокоукладчика. После установки последнего блока включаются одновременно оба разжимных домкрата; производится первичное разжатие кольца в оболочке щита. Величина разжатия ограничивается смыканием блоков в шельге свода. Это положение фиксируется при помощи металлических прокладок и передвигается щит до схода его оболочки с обделки тоннеля. Затем включаются оба разжимных домкрата и выполняют вторичное и окончательное разжатие, величина которого ограничивается зазором между лотковым блоком и ближними к нему блоками. В образовавшиеся зазоры устанавливаются по два железобетонных вкладыша В-2. Затем давление снимается; домкраты извлекаются из гнезд и на их место устанавливаются вкладыши В-1. Зазоры между вкладышами и блоками заливают цементным раствором.

5.4 Нагнетание за обделку и гидроизоляционные работы

Смонтированная в выработке обделка доводится до проектного диаметра. В результате этой операции грунтовый контур деформируется на размер, равный разности диаметров, что приводит к возникновению по наружной поверхности обделки упругого отпора грунта, обжимающего кольцо.

При обжатии обделки в грунт предотвращается развитие деформаций контура выработки за счет более быстрого включения кольца обделки в совместную работу с окружающим грунтом. Это стабилизирует грунтовый массив вокруг тоннеля и тем самым снижает горное давление на обделку, исключает или сводит к минимуму осадки поверхности земли над тоннелем. Исключается необходимость первичного нагнетания и сводится к минимуму контрольное.

Контрольное нагнетание проводят с целью повышения водонепроницаемости обделки путем заполнения трещин от усадки, обеспечения плотного соединения обделки с окружающим грунтом, улучшающее ее статическую работу. Давление нагнетания 0,8−1 МПа. Контрольное нагнетание производится по всему периметру кольца обделки на расстоянии 30 метров от щита.

Технические характеристики растворонагнетателя приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4 — Технические характеристики РН-2

Гидроизоляция стыков сборной обделки из железобетонных ребристых блоков производится перед контрольным нагнетанием путем зачеканки канавок и отверстий. Отверстия для нагнетания очищают и изолируют постановкой пробки с гидроизоляционной асбобитумной шайбой.

Гидроизоляция швов осуществляется на расстоянии 30 метров от щита путем заполнения чеканочных отверстий и канавок гидроизоляционным материалом. Укладку замазки и чеканку швов ведут в 2−3 слоя толщиной по 2 см участками длиной по 3 м.