Сборные железобетонные тоннельные обделки

Полная или частичная замена металла в тоннелестроении сборным железобетоном является важной проблемой, которая поставлена перед строителями решениями партии и правительства. Успешное разрешение этой проблемы дает большую экономию металла, позволяет сократить расход лесных материалов, повысить производительность труда и темпы строительства. Этими задачами определяется главное направление индустриализации методов строительства.

Отдельные попытки замены чугуна железобетоном в тоннельном строительстве имели место и в ранний период метростроения. Широкому распространению сборного железобетона мешала недостаточная разработанность расчетных и конструктивных приемов для рационального проектирования, отсутствие практических данных по гидроизоляции, способам монтажа и т.п.

Классификация сборных железобетонных обделок. Сборные железобетонные обделки могут быть классифицированы по трем признакам: А — по роду связей в продольных стыках; Б — по характеру взаимодействия с окружающей породой и В — по конструктивному решению рабочих сечений элементов обделки.

А — обделки без связей растяжения, с временными связями, с постоянными связями.

Б — обделки шарнирно-изменяемые, предварительно обжимаемые.

В — элементы сплошного сечения, ребристого, комбинированного.

Некоторые разновидности сборных железобетонных обделок рассмотрены на конкретных примерах. Основная задача при проектировании таких обделок состоит в том, чтобы разгрузить стыки в наиболее напряженной зоне обделки — в своде и повысить тем самым несущую способность обделки, определяемую прочностью стыков. Стыки в сборных железобетонных обделках целесообразно располагать в местах с нулевыми моментами.

Обделка без связей растяжения. Эта конструкция показана на примере перегонных тоннелей Киевского метрополитена первой очереди строительства (рисунок 7.5). Кольцо такой обделки состоит из семи блоков сплошного прямоугольного сечения трех типов — нормальных, смежных и ключевого. Разбивка на элементы выполнена так, что четырем нормальным блокам соответствуют центральные углы по 60°, а двум смежным и ключевому вместе — 120°. Такая разбивка позволяет видоизменять состав элементов кольца в зависимости от способа проходки.

Рисунок 6.5. Сборная железобетонная обделка без связей растяжения в продольных стыках

При щитовой проходке в состав кольца входят блоки всех трех разновидностей, а при бесщитовой — шесть нормальных блоков. Возможность сборки однотипных блоков в последнем случае обеспечивается перебором породы над замковой частью обделки на 15—20 см. Кольца обделки имеют перевязку продольных стыков на половину длины нормального блока.

В конструкции блоков имеются полуцилиндрические пазы-канавки 2 (см. рисунок 6.5) радиусом 3,5 см, располагаемые посередине высоты радиальных и кольцевых граней. Чтобы обеспечить точность укладки блоков, в пазы-канавки предварительно устанавливают отрезки стальной трубы (d = 6,4 см: l = 40 см), заполненные цементным раствором. Эти отрезки выполняют роль фиксирующих шпонок 1. В верхней части кольца такие шпонки удерживают ключевой блок, имеющий взаимно параллельные продольные грани.

Кольцевой паз, заполняемый впоследствии цементным раствором, играет роль своеобразной шпонки. Для нагнетания в каждом блоке имеется по два отверстия 3, связанных с пазами, и по два отверстия для нагнетания раствора за обделку. По внутреннему периметру блоков имеются чеканочные канавки 5 глубиной 5—6 см.

Арматурные каркасы железобетонных блоков — сварные из стальных стержней периодического профиля диаметром 16 мм и круглого профиля диаметром 6—10 мм с петлевыми выпусками 4 арматурной стали, приваренными к основному каркасу.

Обделка с временными связями растяжения. К этому типу относится приведенная конструкция обделки из железобетонных блоков ребристого сечения (тюбингов), где болты играют роль монтажных соединений. В эксплуатационный период недопустима передача моментов на борт, так как он имеет недостаточную прочность. Поэтому после проведения контрольного нагнетания такие болты заменяют короткими стальными шпильками с последующей чеканкой концевых участков болтовых отверстий цементной замазкой (БУС).

Такая конструкция сборной обделки состоит в поперечном сечении из десяти железобетонных тюбингов трех типов: нормальных (7 шт.), смежных (2 шт.) и ключевого; ширина кольца 100 см.

Железобетонные тюбинги (рисунок 6.6) представляют собой ребристые конструкции, подобные чугунным, с двумя-тремя кольцевыми и двумя радиальными бортами толщиной по 10—15 см. Высота борта 20—25 см, толщина оболочки 6—8 см.

Для восприятия усилий щитовых домкратов в каждом тюбинге имеются две-три продольные диафрагмы толщиной по 8—10 см.

Рисунок 6.6 Железобетонный тюбинг

Тюбинги соединяются между собой при помощи трех-четырех болтов в кольцевых бортах и двух-четырех в радиальных. Отверстия для болтов укрепляются стальными закладными трубками с фланцами. Для обеспечения гидроизоляции обделки по внутреннему периметру тюбингов имеются фальцы, образующие в стыках канавки размером 32×12 мм, зачеканиваемые цементной замазкой. Для нагнетания за обделку цементного раствора в каждом тюбинге имеется отверстие, в которое вмонтирована стальная трубка с внутренней нарезкой.

Арматура тюбингов представлена сварными каркасами из стержней круглого профиля или из горячекатаных стержней периодического профиля.

Обделка из железобетонных тюбингов имеет следующие достоинства: уменьшается в два раза объем железобетона по сравнению с обделкой из блоков; облегчаются транспортные и монтажные работы ввиду небольшой массы элементов (~0,5 т); обеспечиваются удобство и точность сборки обделки благодаря наличию болтовых связей; обделка может быть применена как при щитовой, так и при эректорной проходке ввиду возможности постановки ключевого элемента в плоскости собираемого кольца.

К недостаткам обделки относятся: увеличение на 30—40% расхода стали по сравнению с обделкой из блоков; повышение сопротивления воздушному потоку при вентиляции и движении поездов, вызываемое ребристой внутренней поверхностью тоннеля; увеличение водопроницаемости обделки вследствие наличия закладных частей и недостаточной прочности болтовых соединений; опасность поломок бортов и образования трещин в оболочке тюбингов от давления щитовых домкратов; ухудшение очистки лотковой части тоннеля вызываемое наличием ребер тюбингов.

Для увеличения несущей способности и водонепроницаемости сборной обделки из железобетонных тюбингов последние могут быть усилены. Кольцо обделки (рисунок 6.7) наружным диаметром 6 м и шириной 100 см состоит из десяти тюбингов трех типов: нормальных (7 шт.), смежных (2 шт.) и ключевого без внутренних ребер и диафрагм.

Усиление тюбингов достигается путем увеличения высоты борта до 45 см, а повышение водонепроницаемости — утолщением оболочки до 25 см и увеличением глубины фальцев до 50 мм.

Для возможности установки монтажных шпилек торцовые борта тюбингов уширены до 26 см.

Рисунок 6.7 Сборная железобетонная обделка из усиленных тюбингов:

а — схема кольца; б — тюбинг; 1 — болтовые отверстия; 2 — петля для захвата блока; 3 — отверстие для монтажных шпилек

Связь колец в монтажный период осуществляется путем постановки болтов или оправок в кольцевых бортах. После контрольного нагнетания эти связи заменяют укороченными штырями, а торцовые участки отверстий зачеканивают замазкой из расширяющегося цемента.

Для сопряжения ключевого тюбинга со смежными применяются составные (из трех частей) железобетонные шпонки диаметром 96 мм, последовательно заводимые с торца обделки.

В качестве арматуры в тюбингах применяются сварные каркасы из стали периодического профиля диаметром 25—28 и 6—14 мм с петлевыми выпусками.

Достоинства обделки — ее значительная несущая способность и повышенная водонепроницаемость. К недостаткам обделки относится ее деформативность в период монтажа. Это обстоятельство учтено при дальнейшем проектировании: число дополнительных связей в кольцевых бортах доведено до четырех.

Общим недостатком, характерным для всех обделок из железобетонных тюбингов, следует признать трудность защиты нижней части обделки от загрязнения и ее последующей очистки. Для устранения этого недостатка, а также с целью создания готового основания для откаточных путей вводят в состав обделки специальный нижний лотковый элемент с плоской внутренней поверхностью.

Обделка с постоянными связями растяжения. Такая обделка может быть рассмотрена на примере четырехблочной конструкции, успешно примененной на строительстве железнодорожных и гидротехнических тоннелей. Обделка наружным диаметром 8,2 м состоит из четырех блоков шириной 75 см и толщиной 50 см, связанных между собой и омоноличенных.

Разбивка кольца на блоки (рисунок 6.8) выполнена так, что верхний блок с центральным углом 100° устанавливают в первую очередь, боковые блоки с центральным углом 80° устанавливают последовательно и, наконец, нижний блок с центральным углом 82° укладывают последним. Между торцами нижнего и прилегающих боковых блоков остаются зазоры с центральным углом 9° заполняемые впоследствии бетоном.

Для монтажа такой обделки требуется применение специального блокоукладчика.

Для связи между отдельными блоками из тела блоков выпускается арматура, скрепляемая разными способами.

В стыках между верхними и боковыми блоками, имеющих уступчатую форму, предусматривают выпуски петлевой арматуры, связываемой постановкой замыкающего стержня.

Рисунок 6.8. Сборная железобетонная обделка с постоянными связями растяжения: 1 — замок; 2 — замыкающий стержень

В нижних плоских стыках арматура имеет вид стержней, временно отгибаемых при установке блоков; связь стержней осуществляется сваркой. Все стыки омоноличиваются бетоном на глиноземистом цементе.

Для предотвращения относительных смещений отдельных колец обделки кольцевым швам в вертикальной плоскости придается уступчатая форма, благодаря чему обеспечивается совместная работа обделки как пространственной системы.

К положительным качествам обделки из крупных блоков следует отнести ее большую несущую способность, сохранность кругового очертания и небольшую протяженность швов, что характеризует такую обделку как приспособленную для больших нагрузок и обводненных условий.

Для включения в совместную работу обделки и породы как упругой среды необходимо уменьшить жесткость обделки путем снижения ее излишней конструктивной толщины. Чтобы придать обделке водонепроницаемость, необходимо принимать специальные дополнительные меры по гидроизоляции швов. Основной недостаток обделки состоит в том, что стыки между нижними боковыми блоками бетонируют на месте, что требует выдержки в течение 4 ч до передвижки щита и, следовательно, ограничивает скорость проходки. Возможны случаи поломки этих стыков при передвижках щита. Кроме того, крупные блоки требуют применения специальных подъемно-транспортных средств и в отдельных случаях увеличения сечения подходных выработок.

К числу обделок с постоянными связями растяжения относятся конструкции из так называемых фигурных блоков сплошного и ребристого сечений, в которых взаимная связь осуществляется за счет выступов и впадин, образующих пространственную перевязку швов, и заклинивающих элементов. Существует несколько разновидностей таких обделок, отличающихся по форме блоков.

Шарнирно-изменяемая обделка. Опыт практического применения сборных железобетонных обделок и проверка их работы на экспериментальных стендах показывают, что несущая способность таких обделок определяется прочностью стыков. Такие обделки имеют недостаточную трещиноустойчивость, что объясняется возникновением значительных изгибающих моментов разного знака и плохой работой бетона на растяжение. Улучшить конструкцию обделки и повысить ее трещиноустойчивость можно снижением величин изгибающих моментов.

Конструктивными мероприятиями, приводящими к центрированию усилий в стыках, могут быть: придание стыкам цилиндрической формы, постановка в стыках цилиндрических шарниров, местное сужение торцовых площадок и, наконец, применение упругих прокладок. Второе и третье мероприятия приводят к концентрации напряжений в стыках и некоторому осложнению процессов изготовления элементов обделки и их монтажа.

Наиболее правильным решением следует признать придание торцам блоков цилиндрической формы, что снижает величину изгибающих моментов и обеспечивает удобство монтажа.

Наличие шарниров приводит к образованию моментов одного знака, что гарантирует отсутствие растяжения с внутренней стороны блоков. Благодаря этому предотвращается опасность трещинообразования в растянутой зоне и создается возможность применять любую гидроизоляцию.

Цилиндрическое сопряжение воспринимает как нормальную, так и поперечную силу при условии обеспечения от относительных смещений соседних блоков, которое может быть достигнуто применением петлеобразных связей с замыкающими штырями.

Целесообразно применение в стыках упругих прокладок с минимальным значением коэффициента Пуассона. Такие прокладки играют роль шарниров, т.е. обеспечивают возможность некоторого поворота торцов смежных блоков, более равномерно распределяют напряжения в стыках (за счет смятия прокладок без их расширения) и в то же время служат средством гидроизоляции швов.

Примером обделки с шарнирными стыками может служить так называемая унифицированная обделка для перегонных тоннелей.

Все это приближает расчетную схему обделки к действительным условиям ее работы, т.е. наилучшим способом использует упругий отпор, что приводит к существенному уменьшению изгибающих моментов и повышению трещиноустойчивости до 40 тс/м² (трещиноустойчивость обделки из прямоугольных блоков с плоскими стыками 16 тс/м²).

Указанные положительные качества унифицированной обделки могут быть достигнуты точным изготовлением отдельных блоков и монтажом обделки при строгом соблюдении геометрически правильной кольцевой формы до периода обжатия нагнетенным раствором и при непременном условии обеспечения упругого отпора породы.

Для взаимной фиксации отдельных элементов в каждом продольном стыке предусмотрено по два штыря.

С целью поддержания замкнутых колец в проектном положении могут быть применены балки длиной 6—7 м, поочередно продвигаемые к забою по мере монтажа каждого кольца обделки.

Вопросы для текущего контроля и зачёта.

1. По каким признакам классифицируют сборные железобетонные обделки?

2. Как выполняется обделка без связей растяжения на примере перегонных тоннелей Киевского метрополитена?

3. Какие достоинства и недостатки имеет обделка из железобетонных тюбингов?

4. Каким образом увеличивается несущая способность и водонепроницаемость сборной обделки из железобетонных тюбингов?

5. Назовите общий недостаток, характерный для всех обделок из железобетонных тюбингов?

6. Опишите последовательность монтажа обделки из крупных блоков с постоянными связями растяжения

7. Назовите основной недостаток обделки из крупных блоков

8. Чем определяется несущая способность сборных железобетонных обделок?

9. К чему приводит придание торцам блоков цилиндрической формы?

10. Обоснуйте целесообразность применения в стыках упругих прокладок

Лекция №8

МЕТРОПОЛИТЕНЫ

Основные понятия о метрополитенах:

Метрополитеном называется городская внеуличная железная дорога, состоящая из блок-участков с автостопами, имеющая собственный габарит и предназначенная обычно для пассажирского движения, а в отдельных случаях — для грузовых перевозок.

Существующие линии метрополитенов подразделяются на надземные, наземные и подземные.

Надземные линии метрополитенов располагают на эстакадах на высоте, определяемой габаритами наземного транспорта, рельефом местности и условиями городской застройки.

Первые линии метрополитенов, сооруженные в прошлом столетии, были надземными, так как при поездах с паровой тягой подземные линии метрополитенов трудно эксплуатировать из-за дыма и копоти. С переходом на электрическую тягу надземные линии потеряли свое преимущество. Несмотря на это в некоторых странах продолжали строить линии метрополитенов на эстакадах из-за меньшей их стоимости по сравнению с подземными линиями. Так, например, в Нью-Йорке протяжение линий метрополитенов, расположенных на эстакадах, достигало 140 км.

Большое развитие наземные метрополитены получили в Чикаго, Бостоне Филадельфии, Гамбурге. Впоследствии развитие городов потребовало уничтожения эстакад и перевода надземных линий под землю. В Нью-Йорке надземные линии с 1956 г. перестали существовать вообще, в Чикаго и других городах их также постепенно заменяют подземными.

В некоторых случаях устройство надземных участков линий метрополитенов оправдывается топографическими особенностями города, особенно при пересечениях рек, автомобильных и железных дорог.

Наземные линии метрополитенов, т.е. расположенные на поверхности земли, существуют во многих городах мира, и их проектируют в настоящее время для концевых участков отдельных линий метрополитенов.

Как правило, наземные линии располагают в малонаселенных районах города, на его окраинах и чаще всего в выемках, позволяющих в будущем, при развитии города, превратить эти линии в подземные. Наземные линии метрополитенов отличаются от обычных железнодорожных линий пригородного сообщения главным образом способом питания электроэнергией.

Подземные линии являются основным видом линий метрополитенов и имеют преимущественное распространение. В большинстве городов мира сеть метрополитена состоит только из подземных линий.

Подземные линии метрополитенов располагают на глубине от 5 до 50 м и более от поверхности земли.

Помимо собственно метрополитенов, в некоторых городах мира имеются трамвайные и железнодорожные линии, проходящие под поверхностью земли.

Трамвайные линии, расположенные в тоннелях, есть, например, в Афинах, Будапеште и Осло и будут в Ереване. Под поверхностью земли расположены железнодорожные линии в Брюсселе, Копенгагене, Неаполе, Ливерпуле, Вене и других городах. Эти городские железнодорожные линии с расположением станций на небольшом расстоянии одна от другой (0,5—1,0 км) используются населением для передвижения в пределах города и поэтому часто также называются «метрополитенами». Они отличаются от линий метрополитенов габаритами тоннелей, устройствами пути и энергоснабжения.

Во многих городах мира пригородные железнодорожные линии продлены от вокзалов в виде подземных участков в центр города и эксплуатируются независимо от метрополитенов. Такие подземные участки железнодорожных линий принято называть глубокими вводами и связывать с линиями метрополитенов при помощи объединенных пересадочных станций или пересадочных тоннелей, расположенных между станциями глубоких вводов и метрополитенов.

Глубокие вводы создают значительные удобства для пассажиров, улучшают связь с пригородами и разгружают городские вокзалы, а также станции метрополитенов, расположенные у вокзалов.

Сооружение глубоких вводов требует значительных расходов ввиду высокой стоимости тоннелей, удовлетворяющих железнодорожному габариту поэтому применяют также другой, более экономичный способ связи пригородных железных дорог с линиями метрополитенов — так называемые вылетные линии метрополитенов. Их выводят за пределы города, прокладывают по поверхности и примыкают к платформам станций пригородных железных дорог. Сооружение вылетных линий обходится значительно дешевле, но эксплуатация таких линий, особенно при большой их протяженности и в зимнее время, затруднительна.

В некоторых городах линии метрополитена допускают пропуск железнодорожных поездов, например, в Лондоне, где для движения железнодорожных поездов используют некоторые участки линий метрополитена, а в свою очередь для движения поездов метрополитена используют железнодорожные линии, расположенные в пределах города.

В большинстве городов метрополитены имеют свой собственный габарит и не могут быть использованы для пропуска железнодорожных поездов.

Ширину колеи метрополитенов, как правило, принимают нормальной железнодорожной, т.е. 1520 мм в Советском Союзе и 1435 мм в зарубежных странах. Иногда нормальную железнодорожную ширину колеи (1435 мм) используют на метрополитенах зарубежных стран даже в тех случаях, когда железнодорожные пути данной страны имеют широкую колею (1674 мм), как например, в Испании и Аргентине, или узкую (1067 мм), как в Японии.