Тоннель железнодорожный двухпутный

1. Исходные данные к проекту

Тоннель железнодорожный двухпутный.

Заданием предусматривается проектирование трассы горного тоннеля в профиле, конструкций обделки, порталов и дополнительных обустройств с технико-экономическим обоснованием принятых решений.

Геологический разрез по трассе тоннеля: Вариант 7.

Характеристики грунтов:

1). Песчаные сланцы слабо трещиноватые.

Коэффициент крепости: f = 12.

Объемная масса: 2,8 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: ц = 82,5°.

Коэффициент удельного отпора: k0 = 2000.

2). песчаник глинистый, плотный.

Коэффициент крепости: f = 5.

Объемная масса: 2,5 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: ц = 70°.

Коэффициент удельного отпора: k0 = 800.

3). Супесь с примесью гравия, гальки.

Коэффициент крепости: f = 0,7.

Объемная масса: 1,6 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: ц = 40°.

Коэффициент удельного отпора: k0 =60.

Руководящий уклон: imax = 11 ‰.

Дополнительные условия:

— Тепловозная тяга.

2. Трасса тоннеля

2.1.Продольный профиль и план тоннеля

Так как длина тоннеля превышает 300 метров, проектируем тоннель двускатным.

Для уменьшения длины тоннеля, подходы к нему на открытом участке выполняются с руководящим уклоном imax = 14 ‰.

Из-за менее благоприятных условий эксплуатации тоннеля, чем открытых участков, на расстоянии примерно 400 метров до тоннеля производим смягчение руководящего уклона.

где: im — максимальный уклон в тоннеле.

— руководящий уклон для открытого участка трассы.

iэкв — уклон эквивалентный сопротивлению на кривой. Определяется в зависимости от радиуса кривой. В курсовом проекте принимаем iэкв = 1 ‰.

m — коэффициент смягчения руководящего уклона. Зависит от длины тоннеля.

При длине тоннеля в пределах 1 — 3 км принимаем m = 0,85.

Со стороны северного портала ‰.

Принимаем уклон im = 11 ‰.

Со стороны южного портала.

‰.

Принимаем уклон im = 11 ‰.

Так как отметки порталов находятся примерно на одном уровне, то проектируем тоннель с уклоном минимальной величины im = 3 ‰ (по условиям водоотвода).

Для железнодорожных тоннелей рекомендуется алгебраическая разность смежных уклонов, равная 10 ‰, что выполняется.

В итоге получаем следующий профиль тоннеля (с севера на юг):

1) Подъем с отметки 110,7 м. уклоном 11 ‰ на протяжении 550 метров до отметки 117,2 м.

2) Подъем с отметки 117,2 м. уклоном 3 ‰ на протяжении 750 метров до отметки 119.6

3) Спуск с отметки 119.6 клоном 3 ‰ на протяжении 400 метров до отметки 118.4м

4) Спуск с отметки 118.4м. уклоном 11 ‰на протяжении 1050 до отметки 104.2м

Глубина предпортальной выемки назначается по данным строительной практики и составляет 10 — 15 м. в грунтах с коэффициентом крепости 0,5 — 3 и 15 — 25 м. в более прочных грунтах.

Глубина предпортальной выемки со стороны северного портала составляет 13.6 м. (f = 0.7), со стороны южного портала — 20,8 м (f = 2). Для сооружения тоннеля горным способом требуется, чтобы высота грунта над тоннелем у портала была не менее 2 — 3 м. Это условие выполняется.

2.2 Определение длины тоннеля

Тоннель проходит через три вида грунтов с различными характеристиками, на каждом из таких участков проектируется своя обделка. Обделка участка с менее крепким грунтом на несколько метров должна заходить на участок с более крепким грунтом.

Итого получаем 3 участка с длиной:

1) От ПК 27+600 до ПК 27+900: l1 = 300 м.

2) От ПК 27+900 до ПК 28+750: l2 = 850 м.

3) От ПК 28+750 до ПК 29+50: l3 = 300 м.

Таким образом, длина тоннеля: м.

3. Вентиляция тоннеля

3.1 Определение объема воздуха для проветривания

Так как длина тоннеля превышает 300 м. и тяга в тоннеле тепловозная, необходима искусственная вентиляция.

Расчет вентиляции ведем по выделению окиси углерода.

Главная задача проветривания тоннеля состоит в разбавлении окиси углерода СО в транспортной зоне тоннеля до ПДК за определенное время (t = 15 мин. = 900 с.).

Допустимая скорость движения воздуха в тоннеле м/с.

Время нахождения локомотива в тоннеле:

где: li — длина участков тоннеля, м.

vi — скорость движения на каждом участке, м/с.

vп = 20 км/ч = 5,6 м/с (на подъем).

vс = 90 км/ч = 25 м/с (на спуск).

.

а) При движении с севера на юг:

км/ч = 10,8 м/с (подъем).

км/ч = 21,1 м/с (подъем).

v3 = v4 = 25 м/с (спуск).

с.

б) При движении с юга на север:

км/ч = 10,8 м/с (подъем).

км/ч = 21,1 м/с (подъем).

v3 = v4 = 25 м/с (спуск).

с.

К моменту выхода локомотива из тоннеля концентрация СО составит:

г/м3.

ск = ПДК.

При времени нахождения локомотива в тоннеле менее 5 мин ск = 150 мг/м3 = 0,15 г/м3.

М — количество окиси углерода, выделенное в тоннеле.

Кi — количество сжигаемого топлива в тоннеле.

Ki = 0,2 кг/с при движении на подъем.

Ki = 0,01 кг/с при движении на спуск.

qco — количество окиси углерода, выделяемое при сжигании 1 кг топлива. принимаем qco = 0,5.

кг. = 3680 г.

кг. = 4800 г.

U — объем транспортной зоны тоннеля, м3.

U = Fт * Lт

Fт — площадь транспортной зоны тоннеля, м2.

Fт = 65,7 м².

Lт — длина тоннеля, м.

Lт = 1450 м.

U = 65,7 * 1450 = 95 265 м³.

г/м3.

г/м3.

Необходимый объем воздуха для разбавления окиси углерода в воздухе:

t = 15 мин. = 900 с.

м3/с.

Скорость движения воздуха в тоннеле:

м/с м/с.

3.2 Выбор системы вентиляции

Так как скорость движения воздуха в тоннеле менее 6 м/с, применяем продольную вентиляцию тоннеля.

Применение продольной вентиляции с шахтами нецелесообразно из-за больших капиталовложений. Поэтому применяем систему продольной вентиляции с портальной установкой и закрытием выхода из тоннеля.

горный тоннель обделка портал

Вентиляция тоннеля осуществляется следующим образом:

При входе поезда в тоннель закрывается занавес у противоположного портала и воздух нагнетается навстречу поезду. При этом воздух в тоннеле приводится в движение и вредные газы удаляются через входной портал. Эффективность проветривания усиливается, если за поездом, вошедшим в тоннель, опускается занавес и вентиляционная установка входного портала начинает работать на вытяжку.

4. Проектирование тоннельных конструкций

4.1 Проектирование и обоснование конструктивных решений тоннельных обделок

Внутреннее очертание обделок тоннелей описываем вокруг габарита приближения строений «С» с учетом размещения за пределами габарита устройств сигнализации, централизации и блокировки, светильников и кабелей.

Между внутренним контуром обделки и угловыми точками габарита оставляем зазор, учитывающий неточность изготовления обделки и возможность ее деформирования под нагрузкой. Величина зазора зависит от прочности грунта.

При f? 3 Д = 5 — 10 см.

При f < 3 Д = 10 — 15 см.

Внутреннее очертание обделки зависит от геологических условий. Практика определила ориентировочные границы этих условий, в которых могут применяться обделки того или иного очертания.

Внутренний контур обделки должен располагаться как можно ближе к габариту с условием строительных и эксплуатационных требований.

Ось обделки проектируется плавной, без переломов и стремящейся к квадратной параболе.

Основным материалом для сооружения обделок горных тоннелей являются монолитный бетон, железобетон и набрызгбетон.

При проектировании обделок из монолитного бетона, применяем бетон класса В20.

Тип 1.

Грунт — песчаник глинистый плотный.

Коэффициент крепости: f = 5.

В трещиноватых грунтах с крепостью f? 4 устраивается монолитная бетонная обделка с вертикальными стенами. Свод описан по круговой кривой.

Радиус внутреннего очертания свода:

R1 = 5000 мм.

Радиус внешнего очертания свода:

R3 = 5600 мм.

Габаритные размеры обделки — 11 200 * 9230 мм

Ширина вертикальных стенок: hст = 800 мм.

Высота замкового сечения: hз = 600 мм.

Длина участка с данным типом обделки: l = 300 м.

Тип 2. Вариант 1.

Грунт — песчаные сланцы слабо трещиноватые.

Коэффициент крепости: f = 12.

В крепких скальных грунтах с крепостью f>10 выработку оставляют без крепления. В качестве облицовки используют 10 см набрызгбетона.

Радиус внутреннего очертания свода:

R1 = 4800 мм.

Габаритные размеры обделки — 9310 * 8760 мм

Длина участка с данным типом обделки: l = 750 м.

Тип 2. Вариант 2.

В грунтах с коэффициентом крепости f? 8 возможно устройство обделки в виде пологого бетонного свода, опертого на уступы грунта. Свод описан по трехцентровой коробовой кривой, стены выполнены из набрызгбетона, толщиной 10 см.

Радиусы внутреннего очертания свода:

R1 = 2800 мм.

R2 = 6000 мм.

Радиусы внешнего очертания свода:

R3 = 6400 мм.

Габаритные размеры обделки: 9800 * 8700 мм

Ширина пяты свода: hп = 533 мм.

Высота замкового сечения: hз = 400 мм.

Длина участка с данным типом обделки: l22 = 750 м.

Тип 3.

Грунт — cупесь с примесью гравия, гальки.

Коэффициент крепости: f = 0,7.

Монолитная бетонная обделка подковообразного очертания с обратным сводом. Описана по трехцентровой коробовой кривой.

Радиусы внутреннего очертания свода:

R1 = 5000 мм.

R2 = 14 870 мм.

Радиусы внешнего очертания свода:

R3 = 6320 мм.

Радиусы обратного свода:

R5 = 9600 мм (внутренний).

R6 = 10 200 мм (внешний).

Габаритные размеры обделки — 12 600 * 10 840 мм

Ширина стенки: hст = 1240 мм.

Ширина по обрезу фундамента: h0 = 1710 мм.

Высота замкового сечения: hз = 750 мм.

Сечение обратного свода: hл = 300 мм.

Объем монолитного бетона на 1 п.м. обделки: V3 = 30,58 м³.

Объем разработки грунта на 1 п.м. обделки: V = 110,51 м³.

Площадь выработки 1 п.м.: S3 = 26,64 м².

Длина участка с данным типом обделки: l3 = 440 м.

4.2 Обоснование конструктивного решения порталов

Переход от тоннеля к предпортальной выемке осуществляется при помощи портала, который служит для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель.

В состав портала входит торцевая стена с входным отверстием, водоотводная канавка и первое кольцо обделки. Торцевая стена сваривается с первым кольцом обделки с помощью закладной арматуры или обрезков прокатных профилей и опирается непосредственно на боковые откосы выемки, в которые заделывается на необходимую глубину.

Подошвы торцевой и боковых стен заглубляются относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания грунтов в их основании.

Вода, стекающая с лобового откоса, перехватывается поперечной водоотводной канавкой, расположенной за торцевой стеной, и отводится с уклоном 2% канавкой, устроенной по верху откосов выемки, или, в условиях теплого климата, в кюветы по чугунным трубам, заложенным за торцевой стеной.

Дно канавки располагается не ниже чем на 1,5 м от верха тоннельной обделки для обеспечения слоя породы, достаточной для амортизации возможных ударов камней, скатывающихся с лобового откоса. Расстояния от низа лобового откоса до портальной стены принимают не менее 1,5 м, а парапет стены не менее чем на 1,1 м выше канавки. Крутизну откоса предпортальной выемки назначают в зависимости от крепости грунта.

При f = 4 1: 0,3.

При f = 2 1: 0,8.

4.3 Дополнительные устройства в тоннеле

В тоннеле располагаются ниши и камеры. Они требуются для укрытия персонала и оборудования в тоннеле во время прохождения поездов.

Ниши располагаются по каждой стороне тоннеля через 60 метров в шахматном порядке. Ширина ниши — 2 м., глубина — 1 м., высота — 2 м. На профиле намечены лишь оси ниш.

Камеры устраиваются вместо ниш по обоим сторонам тоннеля в шахматном порядке через 300 м. Ширина камеры — 4 м., глубина — 2,5 м., высота — 2,8 м.

Для сбора и удаления воды, просачивающейся через дефектные места обделки, попадающей в тоннель при его мытье или конденсирующейся на обделке из газов, образующихся при сгорании топлива, в тоннеле устроены водоотводный лотки. Они могут располагаться по бокам и по оси тоннеля под балластным слоем.

5. Статический расчет обделки

На участке с крепостью f =5 тоннельная обделка обделка с вертикальными стенами, свод описан по круговой кривой.

Высота обделки: h = 9,23 м.

Ширина стенки: hст = 800 м.

Ширина по обрезу фундамента: h0 = 1,1 м.

Высота замкового сечения: hз = 0,6 м.

Основные физико-механические характеристики горной породы:

Песчаник глинистый, плотный.

Коэффициент крепости: f = 5.

Объемная масса: 2,5 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: ц = 70°.

Коэффициент удельного отпора: k0 = 800.

5.1 Составление расчетной схемы Расчетная схема строится на основе следующих допущений:

— плавное очертание нейтральной оси обделки заменяется вписанным стержневым многоугольником.

— распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах усилиями.

— сплошная грунтовая среда заменяется отдельными упругими опорами, расположенными в вершинах многоугольника перпендикулярно наружной поверхности обделки.

Расчетная схема обделки:

Расчетная схема симметричная, в ней 14 узлов и 14 стержней. Горизонтальные силы действуют на все стержни, а вертикальные — только до узла 7.

5.2 Определение нагрузок и других параметров обделки и грунта.

Расчет горного давления.

Пролет свода обрушения:

м.

Для выработок расположенных в глинистых грунтах и при h1? 2H высота свода обрушения определяется по формуле:

м.

так как f>4 то горное давление определяем от веса отдельных вывалов из свода выработки. Нагрузка примерно равна весу вывала и распределяется на четверть свода в его верней части. Горизонтальное давление не учитываем так как оно мало.

Вертикальное давление:

=2.5*1.3= 3.25т/м2

Нагрузка от собственного веса.

G — вес сводчатой части обделки.

сбетона = 2,5 т/м3.

G = V * с = 7.8 * 2,5 = 19,5 т.

т/м2.

Расчетные нагрузки:

Определим расчетные нагрузки учитывая коэффициенты надежности по нагрузке.

К1 = 1,8 К2 = 1,2

qр = 1,8 * 3.25+1,2 * 1.74 = 7.95 т/м2.

Коэффициент упругого отпора:

где К0 = 800 кг/см3

т/м3.

Во втором варианте увеличиваем подъемистость свода на 10 см. в третьем уменьшаем на 10 см.

вертикальное давление грунта изменяется незначительно, поэтому мы им пренебрегаем.

5.3 Расчеты на ЭВМ

Расчет обделки производится методом Метрогипротранса с помощью программы «обделка».

Для расчета необходимо заполнить 2 таблицы:

— описание углов в прямоугольных координатах.

— Описание стержней.

Эти таблицы приведены в расчете.

5.4 Проверка прочности сечений обделки по предельным состояниям

Проверка прочности производится по первой группе предельных состояний.

Расчет ведется на расчетные значения нагрузок и расчетные характеристики материалов.

Общая формула:

где: Nр — расчетное значение усилия.

Nн — Значение усилия от нормативной нагрузки.

Ki — коэффициент надежности по нагрузке.

Nпр — предельное значение усилия.

Ведем проверку сечений с наибольшим и наименьшим эксцентриситетом e0.

Сечение 1.

Проверяем эксцентриситет:

e0 = 0,8098 м. = 80,98 см.? 0,45*h = 0,45*0,6 = 0,27 м. = 27 см.

Случай больших эксцентриситетов.

Где: з — коэффициент, учитывающий гибкость элемента.

Для обделки из монолитного бетона з = 1.

б — коэффициент, учитывающий вид бетона.

Для тяжелых бетонов б = 1.

Rb — расчетное сопротивление бетона сжатию.

Для бетона класса В20 Rb = 115 кгс/см2.

b — ширина сечения. b = 1 м.

h — высота сечения, м.

гy — коэффициент условий работы. Для тоннелей из монолитного бетона учитывает неточность назначения расчетной схемы. гy = 0,9.

т.

Nр = 17,8 т.? Nпр = 237,8 т.

Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.

Сечение 2.

Проверяем эксцентриситет:

e0 = 0,75 м. = 70,5 см.? 0.45*h = 0,45*0,8 = 0,37 м. = 37 см.

Случай больших эксцентриситетов.

т.

Nр = 19.8 т.? Nпр = 169.7 т.

Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.

В дальнейшем увеличении толщины обделки нет необходимости, так как при принятых толщинах свода и стен прочность обделки обеспечена.

Для предотвращения появления трещин следует выполнить армирование растянутой зоны бетона.

Сравнительные графики (для сводового сечения обделки).

где: N — нормальная сила в сечении, т.

F — площадь сечения, м2.

М — момент в сечении, тм.

I — момент инерции сечения, м4.

y — расстояние до нейтральной оси, м.

Результаты вычислений приведены в таблице

Как видно из графиков, при увеличении подъемистости свода:

— сжимающие напряжения по наружной поверхности обделки уменьшаются.

— растягивающие напряжения по внутренней поверхности обделки уменьшаются.

— момент в сводовом сечении обделки уменьшается.

— нормальная сила уменьшается.

Оптимальной является обделка при Y=8.9м

1. «Проектирование тоннелей, сооружаемых горным способом». Методические указания. Ю. С Фролов, ЛИИЖТ, 1983.

2. «Тоннели и метрополитены» под редакцией В. Г. Храпова и д.р. М., Транспорт, 1989;

3. СНиП 32−04−97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» (Государственный комитет РФ по жилищной и строительной политике (Госстрой России)) М., 1997.

4. «Расчет подземных сооружений с применением ЭВМ». Методическое указание. Т. В. Иванес, В. В. Свитин, ЛИИЖТ, 1991.