Работы, влияющие на безопасность объектов капитального строительства:

ч. 1 ч. 2 ч. 3 ч. 4 ... ч. 17 ч. 18

Городские и подводные транспортные тоннели проектируют для пропуска двух-, трех-, четырех- и шестиполосного движения.

Поперечное сечение автодорожных тоннелей назначают с уче­том действующих габаритов приближения конструкций, которые устанавливают в зависимости от места расположения тоннеля, ка­тегории дороги, вида транспортных средств и интенсивности дви­жения.

Для двухполосных автодорожных тоннелей предусмотрены га­бариты приближения конструкций Г-7 и Г-8, с шириной проезжей части соответственно 7,0 и 8,0 м (рис. 2.23). В соответствии с этими габаритами проезжая часть должна иметь поперечные уклоны в сторону от оси проезда не менее 2% для стока воды. Расположен­ный сбоку от проезжей части тротуар рассчитан на пропуск до 1000 пешеходов в 1 ч. При боль­шей интенсивности пешеходного движения устраивают два тро­туара шириной по 1,0 м.

Городские транспортные тон­нели для двухполосного движе­ния должны иметь ширину проез­жей части 8,0 м, а трехполосно­го - 12,0 м. В четырехполосных тоннелях устраивают две проез­жие части шириной по 8,0 м каж­дая, с разделительной полосой не менее 1,2 м.



Рис. 2.23. Габарит приближения конст­рукций автодорожных , тоннелей Г-7 (Г-8)

При расположении автодорожных тоннелей на кривых в плане участках трассы радиусом менее 700 м проезжую часть уширяют на 0,4-0,6 м в зависимости от радиуса кривой.

8.4. Горные тоннели

Горные тоннели сооружают при пересечении трассой дороги горных хребтов, склонов и возвышенностей. В зависимости от вы­соты пересечения тоннели подразделяют на вершинные и базисные (рис. 2.24).

Вершинные тоннели имеют меньшую длину, но требуют более протяженных подходов. Выбор высоты расположения горного тоннеля зависит от конкретных топографических, инженерно-геоло­гических и климатических условий и производится в результате технико-экономического анализа с учетом интенсивности автодви­жения. Вершинный тоннель, имеющий более низкую строительную стоимость, может оказаться более целесообразным, чем базисный при малой интенсивности движения. При значительной грузонапря­женности дороги предпочтительнее сооружать базисный тон­нель, требующий меньших транспортно-эксплуатационных расхо­дов. При этом следует учитывать, что сооружение вершинных тон­нелей

сопряжено с необходимостью пересечения подходами крутых косогоров, оползневых зон, ущелий, что требует создания в ряде случаев защитных противообвальных галерей, высоких подпорных стен, виадуков, глубоких выемок.

Сооружение горных тоннелей начинают с устройства подход­ных выемок, конфигурация и размеры которых зависят от рельефа местности и геологических условий (рис. 2.25, а). Наиболь­шая глубина подходной выемки обычно определяется из условия равенства стоимости 1 пог. м выемки и 1 пог. м тоннеля.

При этом в зависимости от геологических условий глубина вы­емки не должна превышать полуторной высоты тоннеля в слабых породах и трехкратной - в крепких породах. Крутизна откосов выемки определяется характеристиками породного массива и из­меняется от 1 : 1,5 в несвязных грунтах до 1 : 0,2 в крепких скаль­ных породах.

Рис. 2.24. Схема расположения базисного и вершинного тоннелей:

1 - базисный тоннель; 2 - вершинный тоннель; в - участки развития линии

В большинстве случаев места входа в тоннель должны быть за­креплены во избежание возможных обвалов грунта. Только в креп­ких, монолитных и невыветривающихся породах допускается оставлять входные

участки тоннеля незакрепленными. Обычно входы в тоннель устраивают в виде оголовков или порталов.

Оголовки, представляющие собой усиленное головное звено тоннельной обделки, сооружают в монолитных, крепких породах (рис. 2.25, б).



Рис. 2.25. Схемы устройства входов в тоннели:

1 -контур тоннеля- 2 - лобовой откос; 3 - боковые откосы; 4 - лобовая стена;

5 - защитная засыпка- 6 - водоотводный лоток- 7-парапет; 8 -усиленное звено обделки;

9 - водоотвод­ная канава; 10 - уровень проезжей части

Порталы, помимо обеспечения устойчивости лобового и бо­ковых откосов подходной выемки, предназначены также для отвода воды, стекающей с горных склонов, и для архитектурного оформ­ления входов в тоннель (рис. 2.25, в).

Конструкция портала состоит из усиленного звена тоннельной обделки и подпорных стен, которые могут закреплять только лобо­вой откос или лобовой и боковые откосы предпортальной выемки. В зависимости от рельефа порталы могут располагаться симмет­рично и несимметрично относительно оси тоннеля, перпендикулярно или под углом к оси дороги.

Над лобовой стеной портала делают срезку на высоту 1,5 м и устраивают засыпку с уплотнением и прокладкой поперечного во­доотводного лотка. Для предотвращения падения камней с лобового откоса на проезжую часть дороги устраивают парапет на 0,5 м выше верха лотка.

8.4.1. Обделки сводчатого очертания

Для защиты подземной выработки от внешних воздействий и восприятия давления горных пород возводится постоянная контур­ная крепь - тоннельная обделка. Только в крепких, невыветривающихся, монолитных и нетрещиноватых скальных породах, практически не оказывающих давления на крепь, тоннели могут быть оставлены без обделки. В крепких, но выветривающихся и слаботрещиноватых породах устраивают облицовки, выравни­вающие и закрепляющие поверхность выработки. Во всех осталь­ных

случаях выработки закрепляют по контуру постоянной несущей обделкой.

Размеры поперечного сечения тоннеля определяются необходи­мостью удовлетворения габаритным требованиям с размещением за пределами габарита вентиляционных каналов и вспомогательных устройств освещения и водоснабжения тоннеля. Форму поперечного сечения тоннеля назначают с учетом инженерно-геологических ус­ловий и методов производства работ.

Обделки горных тоннелей, сооружаемых горным методом, име­ют преимущественно сводчатое очертание. Это наиболее рациональ­ная форма, обусловливающая лучшую статическую работу обдел­ки на вертикальное горное давление.

При проходке горных тоннелей щитовым методом в условиях залегания-по трассе нарушенных пород применяют обделки круго­вого очертания.

При конструировании обделок сводчатой формы оси обделки стремятся придать рациональное очертание, близкое к кривой дав­ления от действующих нагрузок. Однако получить безмоментную ось свода практически невозможно из-за податливости пят, а также в связи с усадкой бетона, температурными воздействиями и откло­нениями расчетных нагрузок от действительных.

Тоннельные обделки должны быть возведены из материалов, обеспечивающих прочность, водонепроницаемость и долговечность конструкции. В ряде случаев материал тоннельной обделки должен обладать морозостойкостью, химический стойкостью и огнестой­костью.

Обделки горных тоннелей устраивают преимущественно из мо­нолитного бетона или железобетона. Толщина об­делки должна быть не менее 20 см.

При сооружении горных тоннелей в скаль­ных трещиноватых породах наряду с обделками из обычного моно­литного бетона применяют обделки из набрызг-бетона, наносимого на поверхность выработки слоем 5-20 см под давлением 4-4,5 атм. Применением этого типа бетона достигается снижение расхода цемента, повышение плотности, водонепроницаемости и значительно упрощается процесс бетонирования в связи с отсутст­вием опалубки.

Для повышения несущей способности такой обделки набрызг-бетон часто армируют стальными сетками.

Возведение обделок горных тоннелей из монолитного железо­бетона целесообразно преимущественно в сложных инженерно-геологических условиях при повышенных нагрузках на конструк­цию и значительных притоках подземных вод, когда устройство массивных бетонных обделок становится экономически невыгод­ным. Однако процесс возведения обделок из монолитного железо­бетона сопряжен с трудностями установки арматуры, укладки и уплотнения бетонной смеси.



Рис. 2.26. Типы обделок автодо­рожных тоннелей

Существуют различные типы монолитных тоннельных обделок сводчатого очертания.

В крепких скальных породах, не оказывающих бокового давле­ния на крепь, применяют обделку из обычного монолитного бетона или набрызг-бетона в виде свода постоянной или переменной жесткости, опирающегося на породу (рис. 2.26, а). Для большей устойчивости пят свода устраивают выступы породы - бермы - шириной 0,2-0,3 м. Стены выработки могут быть верти­кальными или с незначительным уклоном и облицованы слоем тор­крета толщиной до 5 см. Отношение пролета свода к его высоте не должно быть более четырех, так как пяты пологого свода могут получить горизонтальные смещения, что приведет к резкому уве­личению изгибающих моментов в замковом сечении.

В менее крепких и трещиноватых породах необходимо устраи­вать обделку не только свода, но и стен тоннеля. При незначитель­ном боковом давлении стены устраивают прямолинейными. Если раскрытие выработки производят по частям, то обделка состоит из свода, опирающегося на прямолинейные стены (рис. 2.26, б и 2.27, а). При проходке тоннеля на полный профиль обделка возводится в виде незамкнутой конструкции без обратного свода (рис. 2.26, в и 2.27, б). Проезжую часть в таких тоннелях укладывают непосредственно на породу или бетонную подготовку.

Рис. 2.27. Примеры обделок автодорожных тоннелей большого течения

В слабых породах, проявляющих значительное вертикальное, бо­ковое давление и давление снизу, обделка должна иметь массивные стены криволинейного внутреннего очертания и обратный свод (рис. 2.26, г). Стены следует несколько заглублять в породу для лучшего восприятия бокового давления.

Для защиты тоннеля от проникания подземных вод устраивают гидроизоляцию обделки, а иногда - осушение окружающего гор­ного массива. Помимо гидроизоляционного покрытия, для защиты тоннеля от воды применяют нагнетание за обделку цементного рас­твора, заполняющего все пустоты и трещины, являющиеся источ­никами течей.

Для осушения горного массива в ряде случаев применяют по­верхностный водоотвод, штольневый, самотечный и шпуровой дре­нажи, а также цементационные завесы.

При раскрытии выработок в крепких скальных породах на пол­ный профиль возможно применение сборных обделок из заранее изготовленных элементов: бетонных или железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения. Сборную обделку мож­но устраивать в виде свода, опирающегося на породу или монолит­ные стены, а также незамкнутой сводчатой конструкции на всю вы­соту сечения тоннеля (рис. 2.26, д). Для опирания сборной обделки на породу должны быть предусмотрены специальные опорные бло­ки с уширенной пятой.

При использовании сборных обделок сводчатого очертания до­стигается высокое качество конструкции и снижается расход бето­на, однако ухудшается водонепроницаемость обделки за счет нали­чия швов между блоками и требуется заполнение заобделочного пространства. Кроме того, при сооружении горных тоннелей, осо­бенно в отдаленных и труднодоступных районах представляется сложным создание заводов железобетонных конструкций для изго­товления сборных элементов обделки или доставка их на большие расстояния.

8.5. Подводные тоннели

При наличии на трассе автомагистралей крупных рек, морских проливов или заливов может возникнуть необходимость в сооруже­нии подводных тоннелей, которые в ряде случаев имеют технико-экономические преимущества перед мостовыми переходами. Под­водные тоннели не нарушают условий судоходства и бытового ре­жима водной преграды. Низкие берега водотока, повышающие стоимость мостового перехода за счет необходимости обеспечения подмостовых габаритов, благоприятны для

строительства подвод­ного тоннеля. Кроме того, подводный тоннель значительно менее уязвим, чем мост, в оборонном отношении. Разводные мосты, хотя и имеют меньшую, строительную стоимость, чем мосты высокого уровня, однако при интенсивном судоходстве требуют значитель­ных эксплуатационных затрат и не обеспечивают непрерывную транспортную связь между берегами.

Подходы к мостам, особенно в условиях городской застройки, нарушают архитектурный ансамбль и могут потребовать в отдель­ных случаях сноса здании и сооружений.

К недостаткам тоннельного варианта следует отнести необхо­димость устройства искусственной вентиляции, освещения и водо­отвода в тоннеле.

Из сопоставления схем тоннельного и мостового переходов сле­дует, что при большой высоте судоходного габарита и низких берегах водотока относительно уровня воды длина мостового перехода будет превышать длину тоннеля. При высоких же берегах и небольшой высоте подмостового габарита длина моста оказывается меньше, чем длина тоннеля.

Выбор между мостовым и тоннельным пересечением водной преграды производят на основе технико-экономического сопостав­ления вариантов с учетом как строительных, так и эксплуатацион­ных затрат.

В некоторых случаях при пересечении крупных водных препят­ствий целесообразно сооружение комбинированных тоннельно-мостовых переходов, состоящих из моста низкого уровня и подводного, тоннеля на судоходном участке.

Обычно подводные тоннели сооружают под дном водотока, оставляя защитную грунтовую кровлю не менее 3-6 м (рис. 2.28, а).



Рис. 2.28. Схематический разрез по оси подводного тоннеля:

1 - подводный участок; 2 - рамповый участок; 3 - дамба;

4 - заводные секции; 5 –опоры

При сооружении подводных тоннелей в условиях значи­тельной глубины воды (более 30 м) могут найти применение тоннели, располагаемые на ис­кусственных дамбах, устраи­ваемых по дну водотока (водо­ема), тоннели-мосты и плаву­чие тоннели. Конструкция тон­неля на дамбах состоит из отдельных готовых элемен­тов - тоннельных секций, кото­рые опускают с поверхности во­ды или перемещают с берегов вдоль оси тоннеля по рельсам, уложенным по искусственным дамбам, а затем стыкуют меж­ду собой (рис. 2.28, б). Устрой­ством таких тоннелей значи­тельно сокращается длина под­водного перехода, однако при этом требуется значительный объем земляных работ по воз­ведению дамб.

Подводный тоннель-мост представляет собой комби­нированное сооружение в виде тоннеля из отдельных секций, опи­рающегося на опоры по типу мостовых (рис. 2.28, в). Такие соору­жения могут быть устроены при пересечении весьма глубоких водо­токов, причем глубина заложения тоннеля определяется условиями' судоходства.

В отличие от тоннелей-мостов плавучие тоннели удержи­вают на требуемой глубине от поверхности воды заанкеренными в дно тросовыми оттяжками.

Подводные тоннели состоят из нескольких различных участков, сооружаемых разными методами. В подрусловой части тоннели со­оружают преимущественно щитовым методом со сборной обделкой кругового поперечного сечения. Береговые участки сооружают щи­товым, горным или открытым способом с круговой, подковообраз­ной или прямоугольной обделкой.

Подходы к тоннелю - рамповые участки - сооружают в откры­той выемке с обделкой в виде незамкнутой конструкции из моно­литного или сборного железобетона, состоящей из лотка и боковых стен переменной высоты, укрепляющих откосы выемки. Длина рам­пы зависит от топографических, инженерно-геологических условий и экономических факторов. В некоторых случаях устраивают рам­пы закрытого типа цельнозамкнутой конструкции.

8.5.1. Обделки кругового очертания

При сооружении тоннелей щитовым методом применяют преи­мущественно обделки кругового очертания. Такое очертание способ­ствует лучшей статической работе конструкции на всестороннее давление и позволяет применить эффективную схему искусствен­ной вентиляции.

Выбор конструкции и материала обделки осуществляется в за­висимости от геологических и гидрогеологических условий и глуби­ны заложения тоннеля.

Наибольшее распространение при щитовой проходке получили сборные обделки из отдельных элементов - стальных, бетонных и железобетонных блоков и тюбингов. Применением сбор­ных обделок достигается высокое качество, прочность, водонепро­ницаемость и долговечность конструкции, осуществляется комп­лексная механизация работ по возведению обделки и повышаются скорости проходки.

Сборные обделки по длине тоннеля собирают в виде отдельных колец шириной от 0,5 м в слабых породах до 1,0-1,2 м в устойчи­вых породах.

Каждое кольцо состоит из отдельных элементов - блоков или тюбингов, размеры которых и количество в кольце назначают с уче­том условий изготовления, транспортирования и монтажа в подзем­ных условиях. При проходке тоннелей в тяжелых гидрогеологиче­ских условиях - неустойчивых водоносных грунтах при гидроста­тическом давлении более 2 атм - возникает необходимость в при­менении сборной обделки из чугунных или стальных тюбингов, ко­торые характеризуются высокой несущей способностью и полной водонепроницаемостью.

По конструкции стальные тюбинги не от­личаются от чугунных, но лучше работают на растяжение и позволя­ют снизить вес обдел­ки по сравнению с чу­гунной в 2-2,5 раза. Однако такие обделки подвержены коррозии и требуют гидроизоля­ционного покрытия.

Применение дорого­стоящих обделок из стали является вынужденной мерой в особо сложных гидро­геологических услови­ях. В настоящее время при щитовой проходке в подавляющем боль­шинстве случаев ус­пешно применяют сбор­ные обделки из желе­зобетонных элементов.

Рис. 2.29. Элементы сборных железобетонных обделок

Конструкции сборных железобетонных обделок весьма разнооб­разны и отличаются размерами и весом элементов и связями в сты­ках. Временные и постоянные связи растяжения в стыках между элементами обделки способствуют созданию конструкции значи­тельной несущей способности, жесткости и обеспечивают геометри­ческую неизменяемость колец обделки. Такие обделки применяют в малоустойчивых породах при гидростатическом напоре до 2 атм.

Примером обделки с временными связями растяжения является обделка из железобетонных тюбингов. Временные связи в кольцевых бортах вы­полняют на болтах, которые снимают после монтажа обделки и за­меняют шпильками, так как передача растягивающих усилий на борт железобетонного тюбинга недопустима. Обделки с постоянны­ми связями растяжения выполняют из сплошных блоков прямо­угольного поперечного сечения, стыки между которыми омоноличивают после монтажа путем сварки выпусков арматуры и обетонирования зазора.

В устойчивых неводоносных породах целесообразно применение

шарнирно-изменяемых обделок без связей растяжения (рис. 2.30, а). В таких обделках происходит центрированная пере­дача усилий в стыке, снижаются величины изгибающих моментов и повышается трещиностойкость. Создание шарнирного соединения возможно путем местного сужения торцовых частей блоков, поста­новкой цилиндрических вкладышей и упругих прокладок, а также приданием стыкам цилиндрической формы.

Обделки из железобетонных блоков или тюбингов с цилиндри­ческими стыками широко применяются при строительстве тоннелей метрополитенов и могут быть использованы при сооружении авто­дорожных тоннелей. Фиксация блоков в продольных стыках обеспе­чивается постановкой штырей.

При щитовой проходке в устойчивых породах, наряду со сбор­ными, применяется монолитно-прессованная обделка. Подаваемая за опалубку бетонная смесь уплотняется щитовыми домкратами и создает бесшовную монолитную обделку, обладающую высокой не­сущей способностью и водонепроницаемостью.

Для лучшей реализации прочностных свойств бетона и создания экономичных, трещиностойких тоннельных конструкций применяют обделки из бетонных и слабоармированных железобетонных бло­ков с предварительным их обжатием. При этом достигается уплот­нение стыков между блоками, повышается трещиностойкость и. несущая способность обделки, а также ее водонепроницаемость. Обжатие может производиться нагнетанием в кольцевой зазор за обделкой цементного раствора, применением стяжных обручей и распором в породу.

При проходке механизированными щитами в устойчивых грун­тах, обладающих упругими свойствами, эффективным является применение обделки, обжатой в породу (рис. 2.30, б). При этом в работу вовлекается окружающий грунтовый массив и снижаются нагрузки, действующие на тоннельную обделку. Это позволяет зна­чительно уменьшить толщину обделки и исключить нагнетание це­ментного раствора.



Рис. 2.30. Схемы шарнирно-изменяемой и обжатой в породу обделок:

1 - нормальный блок; 2 - вкладыш; 3 - лотковый блок;

4 - отверстия для нагнетания; 5 - фиксаторы; 6 - клиновый блок

Распор в породу обделки, блоки которой имеют цилиндрические стыки, достигается домкратами или клиновыми блоками. В первом случае в нишах на уровне горизонтального диаметра устанавлива­ют домкраты, при помощи которых кольцо обделки распирается в породу. Затем домкраты заменяют вкладышами и омоноличивают зазор. Возможно обжатие обделки клиновым замковым блоком, залавливаемым щитовым домкратом в кольцо обделки с торца. При этом наружная поверхность обделки должна быть покрыта вязким составом, чтобы исключить силы трения, препятствующие равно­мерному обжатию.

Для улучшения статической работы тоннельной обделки, умень­шения ее деформаций, предотвращения осадок земляной поверхности над тоннелем, а также для повышения водонепроницаемости об­делки применяют заполнение заобделочного пространства цементно-песчаным раствором. Нагнетание за сборную обделку произво­дят во всех случаях, за исключением плывунных и водонасыщенных грунтов. Первичное нагнетание выполняют цементно-песчаным раствором состава 1 : 3, 1 : 2, а контрольное - цементным молоком.

Гидроизоляция сборных обделок достигается герметизацией швов между блоками, а также болтовых отверстий и отверстий для нагнетания. Швы между блоками изолируют чеканкой канавок во­донепроницаемым расширяющимся цементом (ВРЦ) или ВРЦ с различными добавками. Болтовые отверстия изолируют путем уста­новки под головку болта и гайки асбобитумных шайб. При затяжке болта битум выдавливается, заполняя зазор между болтом и стен­ками болтового отверстия. Отверстия для нагнетания изолируют чеканкой ВРЦ или постановкой асбобитумных шайб.

В некоторых случаях по внутренней поверхности сборной обдел­ки устраивают сплошную изоляцию. При устройстве оклеенной изо­ляции для ее удержания должна быть возведена внутренняя желе­зобетонная обойма, рассчитанная на восприятие гидростатического давления.

8.5.2. Щитовой метод сооружения тоннелей

При сооружении тоннелей щитовым методом разработку породы и возведение обделки производят на небольшом участке в призабойной зоне. При этом осуществляется комплексная механизация всех трудоемких процессов и достигаются высокие темпы проходки.

Наибольшее применение метод щитовой проходки находит при строительстве горных, подводных и городских тоннелей в мягких глинистых и неустойчивых песчаных грунтах, оказывающих значи­тельное давление на крепь выработки.

В тоннелестроении преимущественное распространение получи­ли

проходческие щиты кругового поперечного сечения диаметром от 2 до 10 м и более. Различают обычные и механизированные щиты, в которых разработку породы в забое осуществляют специаль­ным рабочим органом.

Конструкция проходческого щита состоит из ножевого кольца, подрезающего грунт по контуру выработки и предохраняющего работающих в забое, опорного кольца, воспринимающего внешние нагрузки и несущего щитовые домкраты, и хвостовой оболочки, под 1рикрытием которой производят монтаж обделки (рис. 2.31).

Ножевое кольцо шириной 1,0-1,5 м и опорное кольцо шириной 2 b (где b - ширина кольца обделки) состоят из от­ельных стальных элементов, соединяемых на болтах или при по­лощи сварки. Хвостовая оболочка имеет ширину, обеспечи­вающую сборку одного или двух колец тоннельной обделки, и состоит из стальных листов толщиной 20-40 мм.

В поперечном сечении щит разделен на рабочие ячейки системой вертикальных и горизонтальных перегородок, придающих конструкции щита пространственную жесткость. На горизонтальных перегородках смонтированы выдвижные рабочие платформы, с которых ведут разработку породы в забое. Щит оборудован также забойными домкратами, служащими для крепления лба забоя.

Гидравлические домкраты, при помощи которых перемещается щит, в количестве 16-30 шт. размещаются по периметру опорного кольца и развивают усилие от 50 до 200 т и более каждый при ходе поршня 1,0-1,2 м. Необходимые усилия щитовых домкратов определяют, из условия преодоления всех сопротивлений, возника­ющих при передвижении щита. Прочность конструкции щита прове­ряют также статическим расчетом.

Рис. 2.31. Схема проходческого щита:

1 - ножевое кольцо; 2 - опорное кольцо; 3 - хвостовая оболочка; 4 - щитовые домкраты; 5 - горизонтальные перегородки; 6 - выдвижные платформы;

7 - вертикальные перегородки; 8 - забойные домкраты; 9 - платформенные домкраты

При проходке в некрепких скальных породах (f<4) и плотных, устойчивых глинистых породах (f=1-2) применяют механизиро­ванные щиты планетарного действия, рабочий орган которых состо­ит из дисковых фрез, помещенных на лучах водила и снабженных стержневыми резцами. При вращении водила в плоскости забоя и одновременном вращении фрез вокруг собственной оси резцы опи­сывают сложную траекторию, перерезая породу в забое на отдель­ные борозды и частично складывая ее. Разрушенная порода попа­дает во вращающиеся по периметру щита ковшовые устройства и перегружается на транспортеры, по которым (Выдается за пределы щита (рис. 2.32).

Рис. 2.32. Схема рабочего органа механизированного щита планетарного действия:

1 - диски с резцами: 2 - ковши; 3 - ковшевое кольцо

Рис. 2.33. Схема проходки щитом в несвязных грунтах:

1 - выдвижной козырек; 2 - шандорная крепь; 3 - забойные домкраты;

4 – рассекающие площадки; 5 - эпюра гидростатического давления; 6 - шлюзовая перегородка; 7 – людской шлюз; 8 - материальный шлюз; 9 - аварийный помост

Рабочий орган механизированных щитов размещают на по­движной станине, которая перемещается при помощи домкратов по неподвижной станине, закрепленной на щите.

При проходке в устойчивых скальных породах, не требующих временного крепления выработки, применяют тоннельные машины без защитных оболочек, перемещающиеся, отталкиваясь от поверх­ности выработки, и разрушающие породу в забое ударными или буровыми инструментами.

При проходке тоннелей со стороны порталов щит собирают и демонтируют на поверхности, в открытом котловане, а при раскры­тии забоев из шахт - в специальных щитовых камерах, куда через шахтный ствол подают элементы конструкции щита. Возможно опу­скание щита целиком в ствол шахты или внутри отдельной опуск­ной секции тоннеля-кессона.

В зависимости от конкретных инженерно-геологических и гидро­геологических условий проходка немеханизированными щитами тре­бует различных приемов ведения работ. При встрече щитом ограниченных участков скальных пород разработку забоя ведут буро­взрывным способом. Породу разрабатывают отдельными уступами на глубину, не превышающую ширины кольца обделки.

Щитовую проходку в мягких породах производят методом вдавливания с разработкой породы ручными механизированными инструментами.

В несвязных грунтах естественной влажности или осушенных

водопонижением проходку щитом ведут с креплением лба забоя деревянными щитами - шандорами, поддерживаемыми забойными домкратами (рис. 2.33, а). При этом разработка породы чередует­ся с установкой обделки. В настоящее время для проходки в таких условиях нашли применение щиты с рассекающими горизонтальны­ми площадками, на которых грунт располагается под углом есте­ственного откоса (рис. 2.33, б). При этом обеспечивается устойчи­вость забоя без применения трудоемкого деревянного крепления. Грунт с рассекающих перегородок ссылается в нижнюю часть щита и грузится породопогрузочной машиной на транспортные средства.

Для уменьшения сопротивления передвижению щита целесооб­разно создание автономных рассекающих площадок, вдавливание которых в грунт происходит независимо от перемещения щита.

В слабых, неустойчивых водонасыщенных породах при гидро­статическом давлении до 3,5 атм щитовая проходка осуществляет­ся с применением сжатого воздуха, который отжимает из забоя воду и предотвращает затопление тоннеля.

Монтаж тоннельной обделки, элементы которой подают в забой специальными блоко- и тюбинговозками, ведут под защитой хвосто­вой оболочки щита тюбинго- и блокоукладчиками. В зависимости от типа обделки существуют различные укладчики, отличающиеся по конструкции подъемно-транспортного механизма и энергии при­вода.

После монтажа обделки в заобделочное пространство произво­дят нагнетание цементно-песчаного раствора пневморастворонагне-тателями или насосами механического действия под давлением 3- 5 атм.

8.5.3. Специальные методы сооружения тоннелей

При сооружении подводных тоннелей в ряде случаев применя­ют метод готовых (заводных) секций, опускных тоннелей-кессонов и открытый метод работ.

Метод готовых секций заключается в том, что отдельные пространственные элементы тоннеля длиной до 140 м, шириной до 50 м и весом до 50 000 т изготовляют в стороне от места строительства, доставляют по воде в створ тоннеля, где погружают на основа­ние траншеи. После стыкования секций конструкция образует гото­вый тоннель (рис. 2.28), который засыпают грунтом.

Основные преимущества этого метода по сравнению со щитовой проходкой заключаются в сокращении длины тоннеля за счет незна­чительного заглубления секций, исключении применения тяжелого труда в подземных условиях, снижении сроков и стоимости строи­тельства. Указанный метод применяют в различных условиях при ширине, водной преграды от 100 м до нескольких километров и глу­бине воды от 6-10 до 30-40 м при наличии в основании как сла­бых неустойчивых, так и крепких скальных пород.

Конструкции тоннельных секций устраивают кругового попереч­ного сечения из стальной оболочки с внутренней желе­зобетонной обделкой и наружной бетонной обоймой (рис. 2.34, а), прямоугольного поперечного сечения из обычного или предвари­тельно напряженного железобетона с наружной гидроизоляцией (рис. 2.34, в) или бинокулярного сечения из спаренных круговых обделок, объединенных в единой бетонной обойме (рис. 2.34, б).

Для автодорожных тоннелей предпочтительнее прямоугольные секции, позволяющие пропустить шесть и более полос движения в одном уровне при

минимальной высоте конструкции.

Отдельные секции изготовляют в сухих доках, на стапелях или в специальных котлованах. Закрытые на торцах водонепроницаемы­ми перегородками секции на плаву транспортируют к месту опуска­ния. Одновременно землечерпанием, средствами гидромеханизации или буро-взрывным способом устраивают подводную траншею, по дну которой делают подготовку из песка, гравия или щебня тол­щиной 0,5-0,6 м. Секции опускают в проектное положение загружением водяным или песчаным балластом, удерживая их кранами или лебедками, установленными на плавучих средствах. Смежные секции стыкуют домкратными устройствами, стягивающими их уси­лием 150-300 т с последующим обжатием многослойных упругих прокладок гидростатическим давлением на свободный торец сек­ции. Для равномерной передачи нагрузки на основание траншеи от секций под их днище нагнетают песчаную смесь. Засыпку тонне­ля производят слоем грунта или камня толщиной не менее 1,5 м.

Рис. 2.34. Поперечные сечения тоннельных секций:

1 - железобетонная обделка г -стальной лист 6=10 мм; 3 - бетонная обойма;

4 - стальной лист 6=5-6 мм; 5 - вентиляционный канал; 6 - оклеечная гидроизоляция

Тоннельные секции устанавливают на естественное основание или искусственное свайное основание, на опоры (тоннель-мост), дамбы или закрепляют под водой на тросах (плавучий тоннель).

Метод опускных тоннелей-кессонов также осно­ван на применении готовых секций тоннеля, которые опускают с поверхности воды или земли. Секции имеют в нижней части ноже­вую кессонную камеру, куда подают сжатый воздух и где ведется разработка грунта. После.опускания секции кессона-тоннеля на проектную отметку ножевую камеру заполняют бетоном и смежные секции соединяют между собой. Указанный метод может быть при­менен при гидростатическом давлении не более 3-3,5 атм.

Сооружение подводных тоннелей открытым методом ведут последовательно на отдельных участках, ограждаемых шпун­тами или дамбами. После осушения огражденного участка вскры­вают до проектной отметки котлован, в котором возводят конструк­цию тоннеля. Вслед за обратной засыпкой конструкции ограждение разбирают и работы переносят на следующий участок. Длина каж­дого участка определяется требованиями минимального стеснения русла реки и условиями судоходства.

При строительстве подводных, горных и городских тоннелей в сложных гидрогеологических условиях применяют особые приемы закрепления и осушения пересекаемого грунтового массива.

Наиболее эффективным методом закрепления водоносных неус­тойчивых грунтов является искусственное замораживание, заключа­ющееся в том, что вокруг выработки создается прочный льдогрунтовый массив, предохраняющий тоннель от прорыва грунта и воды в процессе проходки. При проходке в среде водоносных песчаных и лёссовидных грунтов находят применение методы химического за­крепления пород: силикатизация, смолизация и др.

Силикатизация заключается в нагнетании через погружен­ные в грунт инъекторы длиной до 5 м растворов хлористого каль­ция и жидкого стекла. При взаимодействии этих растворов образу­ется гель кремниевой кислоты, связывающая частицы грунта и улучшающая его физико-механические свойства. Закрепленный грунт обладает достаточной прочностью и позволяет вести про­ходку, не опасаясь проникновения воды в тоннельную выработку.

Для укрепления песчаных грунтов при проходке тоннелей весьма эффективным средством является смолизация путем инъектирования в грунт растворов на основе мочевино-формальдегидной смолы. Обладающая малой вязкостью смола проникает в грунт, и затвердевая, придает ему прочность и водонепроницаемость. Через 14 суток прочность образцов укрепленного таким путем песка до­стигает 50-60 кг/см2.

Для закрепления и повышения водонепроницаемости крупнозер­нистых и гравелистых грунтов, а также трещиноватых водоносных скальных пород применяют цементацию, заключающуюся в на­гнетании в грунт цементного раствора под давлением 8-10 атм. После затвердевания раствора приток воды в выработку практиче­ски прекращается.

Водонепроницаемость трещиноватых скальных пород достигает­ся также заполнением трещин глинистым раствором (глиниза­ция) холодным или расплавленным битумом (битумизация).

При сооружении тоннелей щитовым и открытым методами в песчаных отложениях с коэффициентами фильтрации 0,1 - 100 м/сутки применяют искусственное понижение уровня грунтовых вод. По контуру сооружения заклады­вают водопонижающие скважины, из которых ведется непрерывная

откачка воды. При этом уровень грунтовых вод снижается, а грунт уплотняется и осушается. В зависимости от требуемой глубины водопонижения и свойств грунтов применяют легкие иглофильтровые установки, эжекторные и вакуумэрлифтные иглофильтры. Иглофильтры представляют собой колонны труб диаметром 38- 42 мм и длиной 7-8 м, оснащенные в нижней части фильтроваль­ным звеном. Поступающую в иглофильтр воду откачивают насосом, установленным на поверхности. При необходимости глубокого водо­понижения при сооружении тоннелей в открытых котлованах игло­фильтры могут быть установлены в несколько ярусов.

8.6. Городские транспортные и пешеходные тоннели

Развитие крупных городов и непрерывный рост уличного движе­ния требуют совершенствования городской транспортной системы. Движение огромного количества автомобилей по городу сопряжено с многочисленными остановками перед светофорами, заторами и отсутствием стоянок.

Для обеспечения рациональной организации движения и улуч­шения городских транспортных связей предусматривается сооруже­ние транспортных пересечений в разных уровнях на наиболее за­груженных направлениях и транспортных узлах, сооружение линий метрополитенов, подземных стоянок и гаражей.

В общем комплексе городских подземных сооружений важное место занимают транспортные и пешеходные тоннели мелкого зало­жения.

Транспортные тоннели устраивают под улицами и пло­щадями в тесной увязке с существующей застройкой и с учетом особенностей уличного движения и расположения подземных ком­муникаций. Создание транспортных пересечений повышает про­пускную способность магистралей

и скорости движения автомо­билей.

Тоннели сооружают на прямых, Т-образных и У-образных пере­сечениях улиц и располагают как на прямых, так и на криволиней­ных участках трассы (рис. 2.35). При этом организацию движения автомобилей в районе тоннеля осуществляют по различным схемам.

Транспортные тоннели, сооружаемые на магистралях непрерыв­ного движения и пересечения автомагистралей для развязки дви­жения в разных уровнях, состоят из закрытой подземной части и открытых рамповых - участков. При этом подземные коммуникации, заложенные на незначительной глубине от поверхности, должны быть проложены по перекрытию тоннеля, отнесены в сторону или уложены ниже подошвы тоннеля.

Пешеходные тоннели устраивают при пересечении авто­магистралей с интенсивным движением, у мест скопления людей (метро, стоянки автомобилей, стадионы, магазины). Они должны обеспечивать безопасность и удобства пешеходного и автомобиль­ного движения три минимальных затратах времени пешеходами на преодоление перехода. Длина пешеходных тоннелей колеблется от 10-15 до 200 м и более.

Планировочные решения подземных переходов зависят от мест­ных топографических и градостроительных условий и отличаются расположением в плане и количеством входов и выходов. В плане пешеходные тоннели могут располагаться в виде взаимно пересекающихся и разветвляющихся коридоров, сочетания криволинейных и прямолинейных участков. Возможно устройство пешеходных тон­нелей на прямых, Т-образных, V-образных и У-образных перекрест­ках (рис. 2.36).

Рис. 2.35. Схемы расположения в плане транспортных тоннелей:

1 -тоннель; 2 - рампа; 3-направление движения автомобилей; 4 -городская застройка

Рис. 2.36. Схемы расположения в плане пешеходных тоннелей

При глубине заложения пешеходного тоннеля менее 5 м устраи­вают лестничные входы и выходы, а при большей глубине обяза­тельно устройство эскалаторов. Возможно оборудование сходов в тоннель лифтовыми подъемниками и движущимися тротуарами - траволаторами, которые могут располагаться на уклоне до 15°. На некото­рых пешеходных тоннелях устраивают комбинированные сходы в виде лестниц для спуска и эскалаторов для подъема пешеходов, а также пандусы для пешеходов с колясками и велосипедами.

Входы и выходы могут быть расположены непосредственно на тротуарах, в первых этажах зданий или устроены совмещенными с входами и выходами метрополитена.

Для защиты от атмосферных осадков в некоторых случаях возводят навесы и павильоны.

Размеры поперечного сечения пешеходных тоннелей и лестнич­ных сходов назначают в зависимости от. интенсивности пешеходно­го движения. При этом ширина тоннеля в свету должна быть не менее 3 м, а высота - не менее 2,3 м; ширина лестничного схода должна быть более 2 м.

8.6.1. Конструкции тоннелей прямоугольного очертания

Обделки транспортных и пешеходных тоннелей мелкого заложе­ния имеют, как правило, прямоугольное поперечное сечение в виде незамкнутой конструкции на рамповых участках и замкнутой - на закрытых участках. Прямоугольная форма поперечного сечения в наибольшей степени соответствует габариту приближения конст­рукций, обеспечивает минимальную высоту и длину тоннеля.



Рис. 2.37. Конструкция транспортного тоннеля:

1 - стеновой блок; 2 - фундаментный блок; 3 - лотковый блок; 4 - подколенник;

5 - ко­лонна; 6 - ригель; 7 - плита перекрытия; 8 - монолитная вставка;

9 - проезжая часть; 10 - гидроизоляция и защитная стяжка; 11 - монолитная обвязка

Несколько худшие условия статической работы прямоугольных конструкций, по сравнению с круговыми и криволинейными, в усло­виях

мелкого заложения при небольших внешних нагрузках не име­ют существенного значения.

Конструкции рамповых участков состоят из подпорных стен и лотка и возводятся из монолитного или сборного железобетона. В последнем случае конструкцию по длине рампы образуют из отдельных стеновых блоков различной высоты, заделанных в фун­даментные блоки (рис. 2.37, а). Если уровень грунтовых вод распо­лагается ниже подошвы рампы, вместо лотковых блоков можно устраивать распорки балочной конструкции. В верхней части сте­новых блоков устраивают обвязку из монолитного железобетона, которая служит для установки парапета. На парапете монтируют опоры для освещения и подвески контактной сети троллейбуса.

Конструкцию закрытой части тоннеля выполняют в виде одно-пролетной или двухпролетной рамы из монолитного или сборного железобетона, или комбинированной сборно-монолитной конструк­ции.

Конструкции двухполосных тоннелей представляют собой одно-пролетную раму, состоящую из лотка, стен и перекрытия. При опирании тоннеля на плотные грунты, когда горизонт грунтовых вод залегает ниже подошвы тоннеля, лоток и стены могут быть выпол­нены из монолитного бетона, а перекрытия из сборных железобе­тонных элементов сплошного или ребристого поперечного сечения.

Обделки четырех- и шестиполосных тоннелей выполняют двух­пролетной конструкции из монолитного или сборного железобетона. Конструкции целиком из монолитного железобетона обладают боль­шой жесткостью, но трудоемки в изготовлении. Применяют также обделку в виде незамкнутой сверху конструкции из монолитного железобетона с перекрытием из одной двухпролетной или двух однопролетных сборных железобетонных плит. Сплошная средняя стенка может быть заменена системой из колонн и прогонов.

В настоящее время конструкции транспортных тоннелей для четырех- и шестиполосного движения, как правило, выполняют пол­ностью из сборного железобетона двухпролетной рамной конструк­ции. При этом имеются типовые конструкции обделок транспортных тоннелей, отдельные элементы которых не отличаются между собой по наружным размерам и форме. Применение таких конструкций в различных инженерно-геологических условиях обеспечивается только соответствующим армированием элементов.

8.6.2. Методы сооружения городских тоннелей

Транспортные и пешеходные тоннели мелкого заложения соору­жают обычно в условиях застроенной городской территории при интенсивном уличном движении. При строительстве этих тоннелей необходимо обеспечить сохранность зданий и сооружений по трассе тоннеля и непрерывный пропуск транспортных средств по магистра­лям, в месте переселения которых сооружается тоннель. Городские тоннели мелкого заложения сооружают преимущественно открытым методом с вскрытием поверхности. При этом работы ведут последо­вательно на отдельных участках, длину которых назначают из усло­вия минимального стеснения уличного движения.

В некоторых случаях на наиболее грузонапряженных магистра­лях для пропуска транспортных средств через строящийся тоннель устраивают временные мосты.

В зависимости от характера городской застройки, инженерно-геологических условий и конструкций тоннеля применяют следую­щие разновидности открытого метода: котлованный, траншейный и щитовой. .

Котлованный метод предусматривает вскрытие котлова­на с последующим возведением в нем конструкции тоннеля и об­ратной засыпкой.

До вскрытия котлована подземные коммуника­ции, залегающие по трассе тоннеля (газопровод, водопровод, кана­лизация, кабели и т. п.), должны быть переложены или подвешены на временных мостах.

В устойчивых грунтах естественной влажности, когда условия городской застройки позволяют создать широкий котлован, его ус­траивают без крепления стен с естественными откосами.

При невозможности устройства котлована с откосами конструк­цию тоннеля возводят в котловане с вертикальными стенами, ограждаемыми свайным или шпунтовым креплением. Сваи из дву­тавровых балок I 40-60 забивают за проектным контуром котло­вана с шагом 0,8-1,5 м на глубину 3-5 м ниже подошвы тоннеля. По мере разработки грунта за сваи заводят доски толщиной 50- 70 мм, образуя сплошное крепление стен. При глубине котлована более 3,0-4,0 м по сваям устанавливают продольные пояса из швеллерных или двутавровых балок и поперечные распорки - рас­стрелы составного профиля или из стальных труб 0 20-40 см с шагом 3-6 м. Количество ярусов, поясов и расстрелов определяют расчетом.

Сваи рассчитывают на действие горизонтальной активной на­грузки и пассивный отпор грунта.

Шпунтовое ограждение стен котлована применяют в водоносных грунтах с низкой степенью водоотдачи, когда искусственное водопо-нижение неэффективно. В некоторых случаях возможно устройство котлована в верхней части с откосами, а внизу - со свайным или шпунтовым креплением стен.

Наличие многоярусного крепления котлованов из поясов и рас­стрелов затрудняет механизацию работ по возведению конструкции, что снижает темпы строительства. Перспективным следует считать использование для крепления свай или шпунта анкерных оттяжек, которые устанавливают в

наклонные скважины, забуренные за пре­делами плоскости обрушения. Анкеры в виде стальных стержней, закрепленные в скважинах цементным раствором, способны нести нагрузку до 30 т каждый. При невозможности устройства свайного или шпунтового крепления в водонасыщенных грунтах стены котло­вана могут быть закреплены искусственным замораживанием.

Работы при котлованном методе сооружения тоннеля ведут последовательно на участке длиной 180-200 м. В пер­вую очередь вдоль бровок будущего котлована разрабатывают кон­трольную траншею шириной 0,5 и глубиной до 1,0 м для уточне­ния расположения подземных коммуникаций. Находящиеся в земле кабели и трубопроводы вскрывают и защищают от возможных пов­реждений предохранительными коробами.

Если по трассе тоннеля предусмотрено понижение уровня грун­товых вод, то за пределами контура котлована в грунт погружают иглофильтры, монтируют коллекторные трубопроводы, устанавли­вают насосное и силовое оборудование.

Сваи или шпунт забивают в плотные грунты паровоздушными или дизель-молотами с копра, установленного на экскаваторе. В рыхлых песчаных грунтах применяют вибропогружение свай или шпунта.

В зависимости от глубины котлована и категории грунта его разрабатывают сразу на полную глубину или в несколько ярусов экскаватором, оборудованным прямой или обратной лопатой, грей­фером или драглайном и грузят на автомобили-самосвалы. Часть грунта вывозят в отвал, а часть используют для обратной засыпки конструкции. Дно котлована разравнивают бульдозером и зачища­ют до проектной отметки. По выровненному основанию укладыва­ют бетонную подготовку толщиной 10-12 см. Бетон подают кра­нами в контейнерах, разравнивают и уплотняют поверхностными вибраторами. Поверхность бетона выравнивают цементной стяжкой толщиной 2-3 см, по которой наклеивают гидроизоляцию. Изоля­цию защищают цементной стяжкой толщиной 2-3 см. Применяют также термопластичную изоляцию, которую наносят механизиро­ванным способом, а также безмастичную изоляцию.

Конструкции тоннеля из монолитного бетона и железобетона бетонируют в деревянной или металлической инвентарной опалуб­ке. Бетон подают в контейнерах или укладывают за опалубку бето­нонасосами или пневмобетоноукладчиками.

Монтаж сборных обделок ведут колесными или гусе­ничными кранами, установленными на поверхности, непосредствен­но в котловане или на перекрытии готовой части тоннеля. Элементы обделки доставляют панелевозами или трейлерами и устанавлива­ют в проектное положение непосредственно «с колес». При строи­тельстве достаточно протяженных транспортных тоннелей (L>300 м) и ширине котлована более 20-30 м для монтажа кон­струкций эффективно применение козловых или портальных кранов грузоподъемностью 10-20 т и пролетом 30-40 м, перемещающих­ся по рельсам, уложенным на бровках котлована или на бермах его откосов.

Монтаж сборных обделок ведут снизу вверх: вначале устанавли­вают лотковые и фундаментные блоки, затем колонны, прогоны и стеновые блоки и в последнюю очередь - плиты перекрытия. Сте­новые блоки временно закрепляют к лотковым трубчатыми стяж­ками; колонны фиксируют инвентарными сборно-разборными кон­дукторами. После монтажа обделки и обетонирования швов между стеновыми, фундаментными и лотковыми блоками выполняют гид­роизоляцию стен и перекрытия тоннеля. Для защиты гидроизоля­ции по стенам устраивают защитное покрытие из кирпича, железо­бетонных плит или асбоцементных листов, а по перекрытию - цементную или бетонную стяжку, армированную стальными сет­ками.

Готовую конструкцию тоннеля засыпают грунтом. Обрат­ную засыпку за стены тоннеля выполняют из песчаного грунта одновременно с двух сторон слоями 0,2-0,3 м с поливкой водой и уплотнением пневматическими трамбовками, а по перекрытию - слоями 0,5-0,6 м с послойным уплотнением катками. В последнюю очередь сваи извлекают специальной копровой установкой, смонти­рованной на гусеничном экскаваторе и оснащенной мощными лебедками с полиспастами.

В сильно стесненных условиях густозастроенной городской тер­ритории, когда трасса тоннеля проходит вблизи зданий, применяют траншейный метод работ. При этом стены тоннеля бетонируют в узких и глубоких траншеях. Глубина траншей достигает 14-15 м, а ширина в верхней части - 0,5-1,0 м. Стены тоннеля бетонируют отдельными участками длиной 1,2-1,8 м между рас­стрелами в деревянной опалубке, на которую опирается временная крепь траншеи. После набора бетоном требуемой прочности пере­крепляют расстрелы с упором в бетон и бетонируют промежуточ­ные участки. Связь между соседними участками осуществляют уст­ройством по торцам щтраб. Гидроизоляцию стен тоннеля выполня­ют по наружной поверхности. Работы по возведению стен и гидро­изоляции происходят в весьма стесненных условиях. После устрой­ства стен разрабатывают неглубокий котлован и бетонируют пере­крытие тоннеля, под защитой которого закрытым методом разраба­тывают грунтовое ядро (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Последовательность работ при траншейном методе:

I - разработка и крепление траншей; II - бетонирование стен; III - вскрытие котло­вана и бетонирование перекрытия; IV - разработка ядра и бетонирование лотка

Основным достоинством траншейного метода является возмож­ность быстрого пропуска над сооружаемым тоннелем автомобилей, что очень важно при строительстве транспортных и пешеходных тоннелей на узких и грузо-напряженных магистралях. Этот метод целесообразно применять при заложении тоннелей вблизи зданий, а также при устройстве широ­ких котлованов без металли­ческого крепления.

Траншеи разрабатывают грейферными или многочерпаковыми роторными установками участками по 5-6 м, между которыми ос­тавляют грунтовые целики. По мере разработки траншеи в нее по­дают бентонитовую суспензию. Стены бетонируют после установки арматурных каркасов, причем бентонитовая суспензия вытесняется бетоном и переливается на соседние,участки траншеи. Возможно опускать в заполненные бентонитовой суспензией траншеи сборные элементы стен.

В целях максимальной механизации работ по разработке и по­грузке породы, а также монтажу обделки применяют щитовой метод сооружения тоннелей мелкого заложе­ния в сочетании с цельносекционной обделкой.

Щит открытого метода работ представляет собой металлоконст­рукцию прямоугольного поперечного сечения, состоящую из ноже­вой части со скошенной передней кромкой, опорной части с гидрав­лическими домкратами и хвостовой оболочки, под прикрытием кото­рой монтируют секции обделки. Ножевая часть, разделенная на отдельные рабочие ячейки системой горизонтальных и вертикальных перегородок, отделена от остальной части щита металлической диафрагмой. Грунт в ножевой части разрабатывают ковшовым стругом, расположенным непосредственно на щите, или экскавато­ром (драглайн или обратная лопата), установленным на платформе перед щитом, которая перемещается тягачом или бульдозером. По мере разработки грунта в забое щит. перемещается вперед заходками по 0,5 м, отталкиваясь от готовой обделки щитовыми дом­кратами, развивающими общее усилие до 1000 т.

Монтаж обделки тоннеля из отдельных секций ведут башенным или двухконсольным козловым краном параллельно с разработкой грунта. Стены и лоток каждой секции имеют заводскую изоляцию, а перекрытия и швы между соседними секциями изолируют на мес­те работ. Зазор между обделкой и породой заполняют песком, подаваемым из бункеров, установленных на тележке над хвостовой оболочкой щита.

Строительство пешеходных тоннелей возможно также без нару­шения земной поверхности методом продавливания. Этим методом сооружено несколько пешеходных тоннелей кругового поперечного сечения диаметром от 2 до 4 м и длиной до 300 м, а также прямо­угольных тоннелей. Метод продавливания широко используют при строительстве коллекторных тоннелей.

Продавливание отдельных звеньев тоннельных обделок осущест­вляют специальной установкой, состоящей из домкратных устройств, ножевого кольца, опорного кольца, промежуточной опор­ной конструкции, опорной плиты, насосного и силового оборудо­вания. Продавливание производят из котлована или шахты, разме­ры, которых позволяют разместить все необходимое оборудование.



Рис. 2.39. Проходка щитом открытого метода работ:

1 - щит; 2 - козловый кран; 3 - экскаватор - обратная лопата; 4 - бульдозер;

5 - автомо­биль-самосвал; 6 - секция обделки

В котловане размещают мощные бетонные упоры. Опущенная в кот­лован головная секция с режущим устройством проталкивается домкратами в грунтовый массив. Под защитой выдвинутого вперед крепления грунт в забое разрабатывают и выдают из котлована на поверхность.

После продвижения очередной секции тоннеля опускают новую секцию в шахту и проталкивание продолжается. Продавливание секций тоннеля под насыпями возможно также тросами, пропущен­ными через пробуренные в теле насыпи отверстия.



9. Водопропускные трубы на автомобильных дорогах

Водопропускные трубы под насыпями на автомобильных дорогах составляют, как и мосты, около половины всех искусственных сооружений, причем трубы являются наиболее распространенными дорожными сооружениями: на 1 км дороги их количество составляет 1...1,4 шт.

Область применения труб - малые водотоки, действующие главным образом периодически (при выпадении дождей, таянии снегов и т.п.). Величина отверстия трубы не превосходит 6 м, но в большинстве случаев используются трубы с отверстием до 2 м. Для увеличения водопропускной способности наряду с одноочковыми трубами применяют двух- и трехочковые трубы.






Рис. 2.41. Двухочковая труба

Рис. 2.42. Многоочковая труба


По сравнению с малыми мостами трубы для тех же расходов воды предпочтительнее. Они дешевле и проще в эксплуатации. Располагаясь в нижней части насыпи, трубы не изменяют условий прохода временной

нагрузки и сами к ней малочувствительны.

Трубы иногда применяют для прокладки местных дорог через насыпь, а также в качестве коллекторов для газопроводов и других коммуникаций.

По материалу различают трубы железобетонные, бетонные и металлические.

По режиму работы различают трубы напорные, полунапорные и безнапорные. Для ликвидации скопления воды у насыпи и ее размыва, трубы, в основном, проектируют и строят безнапорными.

Водопропускная способность безнапорных труб достаточна велика: круглые трубы отверстием до 2 м могут пропустить расход воды до 12,5 м3/с, прямоугольные трубы сечением 6x3 м - до 63 м3/с.

Для безнапорного режима характерно протекание воды без заполнения отверстия трубы даже в том случае, когда перед насыпью горизонт воды расположен в уровне верха трубы или немного выше.

Возвышение высшей точки внутренней поверхности трубы в любом сечении над поверхностью воды в трубе при максимальном расходе расчетного паводка и безнапорном режиме работы должно быть в свету.




Для круглых труб:



Для прямоугольных труб:






Рис. 2.43. Безнапорные трубы

а – прямоугольная труба отверстием h1*b1; б – круглая труба отверстием D1

1 – первый перепад уровня потока перед трубой; 2 – второй перепад уровня потока за трубой; 3 – уровень потока в трубе; 4 – тело насыпи

По форме поперечного сечения водопропускные трубы могут быть круглыми, прямоугольными и сложных сечений: овальными, арочными, круглыми с плоской подошвой, а по количеству отверстий в одном сооружении - одно-, двух- и многоочковыми. Очертание и форму поперечного сечения труб принимают на основании гидравлического расчета. Безнапорные трубы выполняют любых поперечных сечений.

Рис. 2.44. Типы поперечных сечений труб:

а – круглая бесфундаментная труба, б – круглая с плоской подошвой труба на фундаменте; в – жесткая прямоугольная трубна на фундаменте; 1 – гравийно-песчаная подушка; 2 – бетонный или железобетонный фундамент; 3 – подготовка из гравия

С целью регулирования водного потока, обеспечения плавности его протекания и предотвращения продольных смещений (растяжений) элементов трубы при оползаниях откосов насыпи входные и выходные участки трубы оборудуются оголовками. По конструкции оголовки бывают раструбные, коридорные и портальные.

Наиболее простыми по конструкции являются портальные оголовки, выполняемые в виде подпорной стенки. Портальные оголовки не обеспечивают плавного протекания воды, вследствие чего их применяют при малых расходах воды.

Раструбные оголовки имеют портальную стенку и откосные крылья переменной высоты, расположенные под углом 17...20° к оси трубы.

Коридорные оголовки состоят из портальной стенки и откосных крыльев постоянной высоты, установленных параллельно друг другу.

Рис. 2.45. Типы оголовков труб:

а – портальный оголовок; б – раструбный оголовок; в – коридорный оголовок;

1 – концевая входная секция; 2 – средние секции трубы; 3 – гравийно-песчаная подушка;

4 – фундаментные блоки под секции трубы; 5 – портальный блок оголовка; 6 – откосные крылья оголовка; 7 – стеновые блоки оголовка; 8 – тело насыпи; 9 – концевая секция;

10 – железобетонный зуб

В настоящее время разработаны трубы круглого поперечного сечения отверстием до 2 м без входного и выходного оголовков. Для повышения водопропускной способности трубы предусматривается размещение на входном участке трубы горизонтальной, криволинейной или наклонной диафрагмы. Звенья трубы располагаются по всей ширине подошвы насыпи.

Рис. 2.46. Конструкция безоголовочной железобетонной трубы:

а – продольный разрез трубы; б – раструбный стык секций;

в – раструбный конец входной секции;

1 – монолитный бетон толщиной 120 мм; 2 – цементный раствор толщиной 100 мм;

3 – глиняный замок; 4 – входное звено трубы длиной 3.5...5.0 м; 5 – тело насыпи;

6 – диафрагма; 7 – чуб из монолитного бетона класса В25; 8 – гравийно-песчаная подушка; 9 – выходное звено трубы; 10 – пакля, пропитанная битумом;

11 – цементный раствор

8.7. Устройства и оборудование при эксплуатации

автодорожных тоннелей

Для нормальной эксплуатации автодорожных тоннелей должны быть предусмотрены специальные устройства и оборудование, обес­печивающие вентиляцию, освещение, водоотвод, а также безопас­ность движения автомобилей.

Необходимость применения различных устройств определяется длиной тоннеля, местом его расположения, интенсивностью движе­ния и другими факторами.

8.7.1. Вентиляция

Движущиеся по тоннелю автомобили выделяют продукты сгора­ния и тепло. Содержащиеся в продуктах сгорания углекислый газ СО2, окись углерода СО, метан СН4 оказывают вредное влияние на здоровье водителей и находящегося в тоннеле обслуживающего персонала. При движении по тоннелю автомобилей с дизельными двигателями, помимо выделения вредных газов, происходит задым­ление воздуха и снижение видимости.

Вредное воздействие на организм человека оказывает также по­вышенная температура воздуха. Источниками тепловыделения в тоннеле являются автомобили, вентиляторы, электродвигатели, ос­ветительные устройства и люди, работающие в тоннеле.

Для очистки воздуха от вредных газов, улучшения видимости и установления в тоннеле нормального температурного режима устраивают искусственную вентиляцию. При расчете вентиляции необходимо учитывать возможность естественно­го проветривания тоннелей, за счет разности барометриче­ских напоров у порталов тоннеля, наличия стабильных ветровых потоков и разности температур наружного и внутреннего воздуха. Факторы, обусловливающие естественное проветривание, подверже­ны значительным колебаниям, поэтому в автодорожных тоннелях длиной более 400 м, а также при недостаточном естественном про­ветривании тоннелей длиной 150-400 м искусственная вентиляция обязательна.

Искусственная вентиляция автодорожных тоннелей требует создания в поперечном сечении тоннеля вентиляционных каналов, устройства специальных вентиляционных зданий или камер для размещения

оборудования.

Искусственная вентиляция в автодорожных тоннелях осущест­вляется путем воздухообмена тремя различными методами: 1) по­дачей в тоннель свежего воздуха (приточная вентиляция); 2) уда­лением загрязненного воздуха (вытяжная вентиляция); 3) одновре­менной подачей свежего и вытяжкой загрязненного воздуха (приточно-вытяжная вентиляция).

Реализация каждого из этих методов может производиться по одной из трех систем вентиляции: продольной, поперечной или комбинированной.

Продольная система вентиляции заключается в том, что воздух подается или удаляется по всему сечению тоннеля. Приток или вытяжка воздуха производится от порта­лов тоннеля или через промежуточные шахты.

Рис. 2.40. Схема вентиляции горного и под­водного тоннелей:

I - вентиляционная установка; 2 - вентиляцион­ный канал;

3 - шахта; 4 - вентиляционное зда­ние

При поперечной системе вентиляции приток и вытяжка воздуха осуществляются по специальным вентиляционным ка­налам, размещаемым вне габарита приближения конструкции. В тоннелях сводчатого очертания вентиляцион­ные каналы размещают над проезжей частью, в круговых обдел­ках - в верхней и нижней частях, а в прямоугольных - каналы могут быть

размещены сбоку от проезжей части.

Комбинированные системы вентиляции предусматривают использование в качестве одного из каналов самого тоннеля. При полупоперечной систе­ме приток воздуха осуществ­ляется по каналу, а вытяж­ка по тоннелю, а при полупродольной - приток по тоннелю, а вытяжка - по каналу. Эти системы объеди­няют в себе достоинства и недостатки продольной и поперечной систем искусст­венной вентиляции. Приме­нение комбинированной си­стемы вентиляции целесооб­разно при наличии по трас­се тоннеля вентиляционных шахт.

8.7.2. Водоотвод, освещение и специальное оборудование

Вода в автодорожные тоннели может проникать в виде атмос­ферных осадков через порталы, за счет инфильтрации грунтовых вод через обделку, а также от конденсации водных паров и при мытье тоннеля.

Для перехвата поверхностных вод у порталов тоннеля устраива­ют водоотводные канавы и дренажные лотки.

Для отвода воды в тоннелях предусматривают лотки или тру­бы, укладываемые по оси или сбоку под проезжей частью. Попе­речное сечение лотков или труб назначают с учетом возможного притока воды. Уклон лотков и труб обычно совпадает с уклоном тоннеля. Вода с проезжей части, имеющей поперечный уклон 2%, стекает к стенам тоннеля и через сетки (трапы), расположенные на взаимном расстоянии порядка 100 м, попадает в лотки или трубы.

В подводных и городских транспортных тоннелях, имеющих во­гнутый продольный профиль, в пониженном месте устраивают во­досборник, из которого воду откачивают насосами за пределы тоннеля. В некоторых

случаях дренажные перекачки устанавлива­ют и у порталов тоннеля. Если водосток и дренажные устройства в транспортном тоннеле расположены выше городской водосточной сети и возможность подтопления тоннеля исключается, то отвод во­ды осуществляют самотеком.

В пешеходных тоннелях воду отводят по дренажным лоткам, расположенным вдоль стен, в приемный колодец, из ко­торого насосом откачивают в городскую канализацию. У лестнич­ных сходов устраивают приямки, в которые вода попадает через металлические решетки на лестничных площадках и далее по трубам поступает в приемный колодец.

В тоннелях, расположенных в районах с суровыми климатиче­скими условиями, необходимо предусматривать утепление лотков и труб во избежание замерзания в них воды.

8.7.3. Освещение

В связи с тем, что дневной свет проникает в тоннели через пор­талы на незначительную длину и освещенность в течение суток из­меняется, в автодорожных тоннелях длиной более 300 м, расположенных на прямой, и длиной более 150 м на кривой, а также во всех городских тоннелях предусматривается искусственное освещение. Степень освещенности устанавливается из условия обеспечения безопасности движения с учетом изменения наружного освещения. При этом на припортальных участках тоннеля должен быть обеспечен плавный световой переход, предотвращающий вне­запное ослепление водителей и дающий им возможность приспо­сабливаться к изменению уровня освещенности при въезде и выез­де из тоннеля. Световой переход осуществляют постепенным изме­нением яркости света или за счет расширения припортального участка тоннеля. В некоторых случаях на подходах к тоннелю уста­навливают солнцезащитные экраны (козырьки, светофильтры) в виде жалюзийных решеток, позволяющих изменять уровень осве­щенности проезжей части.

9.1. Железобетонные трубы

Железобетонные безнапорные трубы - это универсальные конструкции, применяемые практически во всех видах строительства: промгражданском, сельском, гидротехническом, водохозяйственном, железнодорожном, автодорожном и т. д.

В мировой практике нашли применение трубы диаметрами от 300 мм до 3,5 м, в частности, при строительстве ирригационных систем (регуляторы, переезды, водовыпуски, коллекторы и т. д.), в городском строительстве (например, для создания канализационных сетей и водостоков).

Трубы – это изделия, производимые большими тиражами, что требует значительных затрат на материалы для их изготовления и на эксплуатацию технологического оборудования.

Остановимся кратко на основных направлениях разработки технических решений конструкций труб в нашей стране и за рубежом.

9.1.1. Цилиндрические трубы с круглым поперечным сечением

Из всех имеющихся конструкций железобетонных безнапорных труб наиболее распространенными являются цилиндрические с круглым поперечным сечением. Такая форма рациональна по условиям гидравлической работы и наиболее удобна при производстве труб и монтаже трубопроводов.

Цилиндрические трубы имеют, как правило, гладкую стенку. Однако с целью уменьшения расхода материалов стенку можно выполнить ребристой. Эти трубы разработаны и освоены только в России.

Рис. 2.47.Ребристая труб

Трубы с гладкой стенкой армируют тремя способами: двумя круговыми каркасами, одиночным круговым каркасом и одиночным эллиптическим каркасом.

Цилиндрические трубы, армированные двумя круговыми каркасами, являются наиболее применяемыми в отечественной практике и за рубежом. На большинстве заводов нашей страны трубы изготавливают в соответствии с ГОСТ 6482-88 на железобетонные безнапорные трубы. По несущей способности конструкции делятся на три категории:

I-ая категория соответствует глубине грунтовой засыпки над верхом трубы - 2,0 м.

II-ая категория соответствует глубине грунтовой засыпки над верхом трубы - 4,0 м.

III-тья категория соответствует глубине грунтовой засыпки над верхом трубы - 6,0 м.

Стандартные трубы диаметрами до 1000 мм имеют одиночный каркас, большие диаметры армируются двумя каркасами. Трубы диаметрами до 1600 мм имеют раструбные стыки ступенчатой и конической формы, и конструкции большего диаметра имеют фальцевые соединения.

За рубежом трубы, армированные двумя круговыми каркасами, изготавливают в США, Чехии, Германии, Дании, Индии, Великобритании, Японии и в ряде других стран.

Американские цилиндрические трубы делятся на пять классов по несущей способности. В каждом классе предусмотрены три варианта конструкций труб (А, В, С), отличающиеся толщиной стенки и количеством спиральной арматуры. Вариант «А» имеет максимальную толщину стенки и относительно высокий расход арматуры, а вариант «С» - увеличенную примерно на 40% толщину стенки и соответственно уменьшенное количество арматуры. Толщина стенки трубы и количество арматуры изменены так, что несущая способность всех трёх типов труб для одного класса остаётся постоянной.

Производство труб с двумя каркасами осуществляется практически по всем современным технологиям: виброформованием (вертикальное и горизонтальное), центрифугированием, вибропрессованием, трамбованием и т.д.

Железобетонные безнапорные трубы с одиночным круговым каркасом выпускаются и в некоторых зарубежных странах. Так, например, подобные трубы изготавливаются в Индии для канализации и ирригации.

Применение одиночного кругового каркаса в цилиндрических трубах нельзя считать рациональным конструктивным решением по следующим причинам:

- значительно уменьшается рабочая высота стенки трубы и в сечении приходится ставить существенно больше арматуры;

- смещение каркаса к внутренней поверхности уменьшает и без того малую рабочую высоту сечения в боковых зонах трубы;

- спиральная арматура, расположенная в срединной части стенки, оказывает недостаточное сопротивление трещинообразованию в растянутых зонах

Эффективность железобетонных конструкций во многом определяется рациональным размещением рабочей арматуры, когда она располагается в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. В железобетонных цилинд­рических трубах арматурный каркас, установленный таким образом, имеет очертание эллипса.

В трубах, армированных одиночным эллиптическим каркасом, спиральная арматура расположена в вертикальных сечениях бли­же к внутренней поверхности, а в горизонтальных - к наружной, т.к. момент в конструкции имеет переменный знак. Таким образом, постановкой одного каркаса достигается эффект двойного армирования. Одиночное круговое армирование тоже может быть эффективным, но такое расположение арма­туры оправдано лишь в том случае, если в секторе между вертикальным и горизонтальным диаметрами непрерывно меняется рабочая высота сечения, т.е. обеспечивается превышение предельного изгибающего момента над расчетным, а раскрытие трещин не превышает нормы. Это техническое ре­шение возможно, когда бетон располагается вокруг кругового каркаса по слегка эллиптическому контуру.

Опыт эксплуатации труб показал надежность и достаточную прочность конструкций с эллиптическим армированием. Теоретически расход рабочей арматуры при её эллиптическом расположении может уменьшиться в два раза по сравнению с двойным армированием. Несмотря на очевидные пре­имущества эллиптического расположения арматуры в трубах, такой способ армирования до настоящего времени в нашей стране не применяется по сле­дующим причинам:


  • отсутствие оборудования и технологии изготовления эллиптического
    каркаса;

  • отсутствие технологии формования труб с эллиптическим каркасом;

  • при отсутствии подошвы препятствием к применению эллиптического каркаса является необходимость укладки таких труб в траншею в строго
    фиксированном положении. Поэтому на готовую трубу должна быть нанесена соответствующая маркировка, фиксирующая лоток трубы. Кроме того, завод-изготовитель должен гарантировать, что в процессе производства труб не произошло смещения каркаса (по окружности) относи­тельно маркировочного знака.

В мировой практике имеется несколько примеров по изготовлению труб с арматурой, расположенной в соответствии с эпюрой моментов. Боль­шие успехи достигнуты в этой области в США и Австралии.

Анализ технических характеристик цилиндрических труб позволяет сделать следующие основные выводы:

-безнапорные железобетонные трубы с круглым поперечным сечением
выпускают в большинстве стран диаметром до 2 м. Только в России и США
максимальный диаметр достигает 3,50 м. Одиночное армирование применя­ют в трубах диаметром до 3,50 м;


  • при назначении длины труб исходят из максимального веса и габари­тов сборных элементов по условиям транспортировки и монтажа.

В боль­шинстве стран длина труб не превышает 3-3,5 м, сле­дует отметить, что отечественные трубы характеризуются большими разме­рами по сравнению с зарубежными, что является положительным решением, так как уменьшается количество стыков в трубопроводе;

по несущей способности безнапорные трубы делят на несколько проч­ностных классов, причём изменение несущей способности осуществляется в основном за счет армирования при неизменной толщине стенки для одно­го диаметра. Даже при разных вариантах толщины стенки несущая способ­ность труб остается постоянной.

9.1.2. Трубы сложных поперечных сечений

Расход материалов и в первую очередь арматуры зависит от величины изгибающих моментов и их распределения по контуру трубы. Вопрос о ра­циональном очертании оси трубы решается на основе теории «веревочной кривой», согласно которой рациональное очертание определяется отсутст­вием изгибающих моментов во всех сечениях стенки трубы. Однако с уче­том комбинации всех нагрузок (в том числе и временной) практически не­возможно получить очертание трубы, в которой полностью отсутствовали бы изгибающие моменты. Поэтому стремятся поперечному сечению при­дать такую форму, чтобы изгибающие моменты были, насколько это воз­можно, уменьшены или равномерно распределены по периметру трубы.

Рис. 2.51. Трубы сложных поперечных сечений:

а – труба малой эллиптичности; б – овальные трубы;

в – арочная труба; г – постелистая труба

Существующие в мировой практике безнапорные трубы сложных по­перечных сечений бывают двух типов:

- трубы с постоянной толщиной стенки (гладкие),

- трубы с переменной толщиной стенки (постелистые).

К первому типу относятся овальные и арочные трубы; ко второму - тру­бы с плоской подошвой, имеющие круглую, овальную и овоидальную фор­мы поперечного сечения. Овальные трубы с постоянной толщиной стенки разработаны и освоены преимущественно в США и выпускаются в двух ва­риантах. Первый вариант представляет собой трубы с незначительным превыше­нием вертикального диаметра над горизонтальным. В этих трубах арматур­ный каркас имеет круговое очертание, а внешняя и внутренняя поверхности трубы - овальные. При этом вертикальный диаметр длиннее гори­зонтального на малую величину, приблизительно равную трем четвертям толщины стенки. Величины диаметров, толщина стенок и другие техничес­кие характеристики овальных труб приняты такими же, как в цилиндричес­ких трубах с одиночным круговым каркасом, и уже описаны выше.

Трубы с вертикальным овалом (двойное армирование) имеют расход стали на 10% больше, чем в аналогичных цилиндрических трубах, но несу­щая способность при этом в 1,2-1,5 раза выше.

Известный интерес представляют арочные трубы. Такая форма поперечного сечения способствует значительному уменьшению из­гибающих моментов. Армирование труб про­изводят одиночным каркасом в виде сетки из холоднотянутой стальной про­волоки. Разрешается устанавливать два каркаса параллельно поверхности трубы. Существует и третий вариант армирования, при котором один замк­нутый каркас располагается ближе к внутренней поверхности, а в боковых и вертикальных сечениях в растянутых зонах устанавливают дополнитель­ные короткие сетки.

По сравнению со стандартными арочные трубы дают экономию стали примерно в 2,5 раза при одинаковом расходе бетона, хотя несущая способ­ность арочных труб больше, чем у стандартных.

Таким образом, овальные и арочные железобетонные трубы отличают­ся экономным расходом материалов и существенным увеличением несущей способности. Однако способы изготовления таких труб ограничены. В США их изготавливают вибропрессованием и виброформованием.

Внутренние усилия, возникающие в стенках жесткого трубопровода при действии тех или иных нагрузок, зависят не только от формы попереч­ного сечения, но и от распределения опорных реакций, которое, в свою оче­редь, зависит от способа опирания трубопровода. Исследования и расчёты показывают, что величина внутренних усилий в большой степени зависит от угла охвата при опирании круглой трубы на спрофилированное грунто­вое основание. Особенно благоприятно сказывается на уменьшении и пере­распределении изгибающих моментов наличие в трубах плоской подошвы. В этом отношении большая перспектива у конструкций постелистых труб кругового, овального и овоидального очертания. При примене­нии постелистых труб существенно упрощаются строительные и монтаж­ные работы, так как трубы можно укладывать на спрофилированное или. ут­рамбованное плоское основание без устройства трудоемкого лотка по фор­ме круглой трубы. Наличие плоской подошвы фиксирует положение трубы и позволяет применять рациональное армирование в виде одиночного кар­каса, расположенного по эпюре изгибающих моментов. Опыт проектирова­ния и эксплуатации показал, что оптимальная ширина подошвы для круг­лых труб диаметром 1000-1600 мм равна 0,8D и для труб большего диамет­ра - 0,6D.

Анализируя технические характеристики рассмотренных типов безна­порных труб, можно сделать следующие выводы:

- в отечественных трубах относительную толщину стенки уменьшают
с увеличением диаметра. Так при диаметре 1000 мм толщина стенки состав­
ляет 0,1D, а при диаметре 2500 мм - 0,06D. В зарубежных трубах эта величина изменяется незначительно и в среднем равна 0,1D;

- в зависимости от способа армирования и толщины стенки меняется и процент армирования. Процент армирования труб сложных поперечных сечений меньше, чем в цилиндрических трубах, и в среднем равен 0,4-0,5%.

- наиболее экономичными по расходу материалов являются трубы
сложных поперечных сечений, а также ребристые труб, имеющие круглые
сечения. Особенно большая экономия арматуры и бетона достигается в арочных трубах и постелистых эллиптического, овального и овоидального очертаний. По сравнению со стандартными цилиндрическими трубами рас­ход арматуры в этих конструкциях уменьшается в 2-4 раза, а расход бетона в 1,3-1,6 раза. Кроме того, трубы сложных поперечных сечений обладают высокими эксплуатационными свойствами, а именно: усилия в стенках труб от давления грунта значительно уменьшаются; наличие плоской подошвы упрощает строительные работы по подготовке основания; повышение жест­кости поперечного сечения позволяет увеличить длину труб. Все эти пре­имущества подтверждают перспективность и целесообразность примене­ния труб сложного поперечного сечения.

9.2. Гофрированные трубы

Впервые трубы из гофрированного металла появились в конце 19 века. В России такие трубы впервые были применены в 1875г. На Петербургском металлическом заводе были изготовлены конструкции и построены первые опытные сооружения. На протяжении целого века проектировщики и исследователи, строители и производители работали над усовершенствованием системы металлических гофрированных конструкций, объединяя свои знания и накопленный опыт, чтобы производимые конструкции и сооружения из них отвечали современным требованиям.

Металлические гофрированные конструкции (МГК) сейчас завоевывают все большую популярность в транспортном строительстве. В последние годы существенно расширилась область применения таких сооружений. Их стали использовать не только в качестве водопропускных труб, но и в качестве малых мостов и тоннелей.

Этому способствует ряд преимуществ перед традиционными железобетонными сооружениями. Металлические гофрированные конструкции собираются на болтах из готовых листов, поэтому сооружение происходит быстро и не требует тяжелой техники. Конструкции с небольшими пролетами могут полностью собираться вручную. Такие конструкции удобны для транспортировки. Можно доставить конструкцию любых размеров, а в одном транспортном средстве можно разместить элементы для сооружения одной или нескольких труб. Кроме того, оборудование для гибки гофрированных листов позволяет создавать конструкции с любой формой поперечного сечения. При этом мировой опыт подтверждает возможность применения конструкций с пролетами 10 и более метров.









Рис. 2.52.1 Использование гофрированных конструкций в транспортном строительстве

Гофрированные трубы при должном качестве строительства весьма долговечны. Проведенное в 1967 году обследование труб дореволюционной постройки показало, что они находятся в хорошем состоянии.

В целом применение гофрированных конструкций очень эффективно с экономической точки зрения.

Типовые проекты гофрированных водопропускных труб начали разрабатываться с 70-х годов. Актуальность типовых проектов не утрачена и сейчас. Более того, начало строительства в нашей стране транспортных сооружений из гофрированного металла вызвало потребность в типовых проектах конструкций с формой и габаритами существенно отличающимися от тех, что использовались до тех пор.

Особенность работы гофрированных конструкций в теле насыпи заключается в том, что гофрированный металл трубы работает совместно с окружающей грунтовой обоймой, которая должна иметь определенную форму, отсыпаться песчаным грунтом с определенным составом и обязательно с тщательным послойным уплотнением. Этот факт является определяющим как для расчета, так и для срока службы

Сравнение расчетной методики, заложенной в ВСН, с методиками, применяемыми за рубежом, показало следующие отличия:



  • В иностранных нормах заложено более резкое падение давления от временной нагрузки с глубиной заложения трубы

  • При расчете прочности стенки трубы за рубежом исходят из отсутствия изгибающего момента в трубе. Нормальную силу вычисляют от действия веса столба грунта над трубой и соответствующего давления от временной нагрузки на рассматриваемой глубине. Причем к грунтовой составляющей вводится понижающий коэффициент в зависимости от степени уплотнения грунта. В России, напротив, пренебрегают действием нормальной силы.

  • Не смотря на применения сталей с аналогичными прочностными характеристиками для листов и болтов, расчетная прочность стыка трубы в иностранных расчетах в два и более раза превышает ту, что можно определить исходя из наших норм.

Сейчас появилось много методик расчета усилий в стенке гофрированных конструкций с применением метода конечных элементов, но, к сожалению, они сложны, неочевидны, не обоснованы экспериментально и не закреплены нормами. Кроме того, они показывают наличие существенных изгибающих моментов. При этом иностранные исследователи единодушно склоняются к отсутствию таковых. Очевидно, такую ситуацию можно обеспечить лишь скрупулезным выполнением технологии сборки и засыпки конструкции.

Исходя из сказанного, для обеспечения массового строительства конструкций из гофрированного металла требуется создать новую серьезную нормативную базу, обоснованную теоретическими и экспериментальными работами, затрагивающую все этапы проектирования и строительства металлических гофрированных конструкций и в первую очередь простую, универсальную методику расчета таких сооружений.

Из гофрированного металла можно изготовить трубы любого назначения и любой формы.

9.2.1. Круглые и эллиптические гофрированные металлические трубы

Эти трубы наиболее экономичны по площади по­перечною сечения. Их конструктивная прочность по отношению к нагрузкам наибольшая. В итоге они в большей степени подходят для высоких на­сыпей.

Рис. 2.52.2 Круглые и эллиптические гофрированные металлические трубы

Металлическая гофрированная арка является альтернативой малого моста. Такая форма конструкции позволяет сохранить дно водотока в естественном состоянии. Такие арки высокоэффективны при грунтах с хорошей несущей способностью или скальных грунтах. В этом случае ис­пользуют мостовые опоры, сохраняя естественное русло водного потока.

Рис. 2.53. Арка и металлических гофрированных листов

9.3. Гидравлические расчеты отверстий водопропускных труб

Задавая величину отверстия водопропускной трубы необходимо исходить из расчетного расхода воды, проходящей через трубу.

Для определения расчетного расхода необходимо в процессе технических изысканий выполнить необходимые топографо-геодезические работы и обследования. Основными исходными данными являются план бассейна с характеристикой его площади, длины главного лога, среднего уклона лога, склонов. Кроме того, необходимо установить характер поверхности бассейна: растительность, почвенный покров.

Бассейном называется участок местности, с которого вода во время

выпадения дождей и снеготаяния стекает к проектируемому водопропускному сооружению. Для определения площади бассейна необходимо установить границы его на карте или на местности. Границей бассейна с одной стороны всегда является сама дорога, а с другой стороны — водораздельная линия, которая отделяет данный бассейн от соседних.

Бассейн малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах снимают, как правило, по карте. При определении границ бассейна сначала устанавливают ближайшие к водопропускному сооружению точки перегиба местности на трассе (выпуклые переломы). Эти точки будут началом и концом водораздельной линии. Другие точки водораздельной линии определяют аналогично, при этом учитывают, что водораздел идет всегда перпендикулярно горизонталям и от него вода должна стекать в противоположные стороны.

При отсутствии необходимых карт или когда водосборы выражены неясно, а также при площади бассейна не менее 0,25 км2 надлежит производить съемку водосборов в натуре.

Если местность открытая пересеченная и линии водоразделов ясно выражены, применяют съемку засечками. В этом случае на характерных точках водораздельной линии устанавливают вехи таким образом, чтобы их можно было видеть с двух или нескольких точек трассы. В этих точках устанавливается инструмент, который ориентируют по направлению трассы дороги. Последовательно визируя на выставленные вехи, замеряют углы между направлением трассы, принимаемой за базис, и визирными лучами на веху. На каждую веху должны быть сделаны взгляды не менее чем с двух точек трассы. На плане, ориентируясь на направление трассы, проводят визирные линии. Если из-за рельефа и растительности на поверхности бассейна нельзя выполнить съемку указанным методом, применяют обход по водоразделам. При этом расстояние между вехами определяют лентой или шагомером, а углы поворота по румбам или азимутам, измеренными буссолью.

Если водораздел плоский и неясно выражен на поверхности, бассейн снимают ходами по тальвегам до водораздела. Измерив длины ходов и определив их направления, составляют план бассейнов.

Площадь бассейна, очерченного по карте, определяется планиметром, палеткой или разбивкой бассейна на простейшие геометрические фигуры.

После определения площади водосбросов определяется максимальные расходы от ливневого и снегового стока.

Расход ливневого стока, Qл, м3/с, определяется по следующей формуле:

где ачас — интенсивность ливня часовой продолжительности в зависимости от ливневого района и вероятности превышения максимальных расходов расчетных паводков, мм/мин;

kt — коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной продолжительности, зависящий от длины водосбора L и среднего уклона лога i, %.;

F — площадь водосбора, км2;

α — коэффициент потерь стока, зависящий от вида и характера поверхности бассейна;

φ — коэффициент редукции (уменьшения), учитывающий неполноту стока, тем большую, чем больше водосбор.

Максимальный расход талых вод для любых бассейнов (Qт), м3/с, определяется по формуле:

где k0 — коэффициент дружности половодья;

n — показатель степени зависящий, который как и k0 зависит от рельефа и климатических условий;

F — площадь водосбора;

δ1 — коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов в заболоченной местности.;

δ2 — коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов в залесенных бассейнах.

В зависимости от полученных максимальных расходов воды подбирается отверстие водопропускной трубы.

9.4. Характерные дефекты и повреждения водопропускных труб

Большую опасность для водопропускных труб под насыпями может представлять вода, отводимая с проезжей части автомобильной дороги и нередко содержащая в растворенном виде те или иные материалы, применяемые для борьбы с гололедом, принесенные автомобилями с загрязненных промышленных территорий, содержащиеся в снеге и других осадках. Хлориды и сульфаты, содержащиеся в этой воде и снеге, являются весьма агрессивными коррозионными реагентами по отношению к бетону и арматуре железобетонных труб. Снег, талая вода и вода, протекающая через отверстия водопропускных труб, также могут содержать различные агрессивные по отношению к материалу труб компоненты, особенно если на территории водосбора находятся промышленные предприятия, нефтехранилища, бензозаправочные станции, химические заводы. Эта вода может иметь различный химический состав с наличием сероводорода, углекислого газа, аммиака и других компонентов, вызывающих коррозию и разрушение внутренних частей труб.

Следовательно, несущая конструкция водопропускных труб в процессе эксплуатации подвергается воздействию внешней среды с двух сторон: с внешней, обращенной в сторону грунта и внутренней, по которой производится отвод воды.

Действие всех факторов, воспринимаемых водопропускной трубой, можно разделить на две группы.

Первая группа включает нагрузки и воздействия, в результате которых может наступить механическое, прочностное разрушение конструкции трубы. К этой группе воздействий можно отнести собственный вес трубы, вес воды, наполняющей трубу, вертикальное и горизонтальное давление грунта, отпор грунта, временную нагрузку от подвижного состава на поверхности дороги, а также температурные воздействия и деформации основания.

Ко второй группе относятся факторы, способные вызвать коррозионное разрушение трубы под влиянием физического, химического, биологического воздействия окружающей среды и эксплуатационных условий. К ним относятся: действие грунтов насыпи и воды, содержащейся в грунте насыпи; перемещение по трубе больших масс взвешенных жидкостей, способных вызвать коррозионные разрушения стенок труб из-за возникающей газовой, химической или биологической коррозии; возможное разрушение от действия блуждающих токов (при расположении водопропускных труб вблизи железных дорог, трамвайных путей, линий электропередач).

Для наглядности данные о внешних воздействиях на водопропускные трубы сведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Внешние воздействия на водопропускные трубы



Группа и вид воздействия

Характер воздействия

во времени

по направлению

по разрушающему действию

Пост.

Врем.

Внеш.

Внутр.

Механ.

Корроз.

1 группа - постоянные и временные силовые воздействия:

– вертикальное и горизонтальное давление грунта насыпи;

– собственный вес трубы;

– вес воды в трубе;

– отпор грунта;

– вертикальная и горизонтальная нагрузка от наземного транспорта;

– действие строительных факторов;

– сейсмическое воздействие;

– динамическое воздействие подвижного состава;

– температурное воздействие;

– образование наледей


*

*

*



*

-

-



-

-

-



-

-

-

-



-

*

*



*

*

*



*

*

*

*



*

*

*



*

*

-



-

-

-

-



-

-

-



-

-

*



*

*

*

*



*

*

*



*

*

*



*

-

-

-



-

-

-



-

-

-



-

2 группа - агрессивное воздействие окружающей среды:

– воздействие грунтов и грунтовых вод;

– воздействие поверхностных вод;

– газовая (физическая и химическая) коррозия;

– атмосферная коррозия;

– биологическая коррозия;

– электрокоррозия


*

-

*



*

*

*



-

*

-



-

-

-



*

-

*



-

-

*



-

*

*



*

*

-



-

-

-



-

-

-



*

*

*



*

*

*



Все эти воздействия ведут к повреждениям и деформациям и в конечном итоге к разрушению конструкции трубы.

Наиболее распространенными повреждениями и деформациями в сборных железобетонных водопропускных трубах являются:



  • раскрытие деформационных швов между секциями 62.8 %

  • трещины в оголовках 52.6 %

  • осадка оголовков 44.8 %

  • выщелачивание раствора кладки 26.1 %

  • осадка звеньев 24.7 %

В настоящее время в транспортном строительстве существует проблема ремонта и усиления водопропускных труб. К сожалению, до последнего времени целенаправленных исследований в этой области не проводилось. При разработке схем ремонта обычно не рассматриваются несколько вариантов, как это делается при проектировании, что приводит или к появлению не всегда надежных инженерных решений или же из-за перестраховки – существенному перерасходу материалов. Дело, вероятно, в том, что новые водопропускные трубы обычно изготавливаются и укладываются в насыпь с использованием типовых проектов, прошедших широкую экспериментальную проверку в натурных условиях. В области же усиления, ремонта, восстановления пока ещё не наработано достаточного количества надежных схем.

Поэтому важным направлением исследований должна стать разработка научно-обоснованных приемов выбора способов ремонта и усиления водопропускных труб, разработка вариантов расчетных схем усиливаемых конструкций труб, разработка общих принципов и методов расчета усиливаемых конструкций с учетом имеющихся повреждений, вида и уровня имеющегося напряженного состояния, различия в свойствах и возрасте старого и нового материалов.




ч. 1 ч. 2 ч. 3 ч. 4 ... ч. 17 ч. 18