Конструктивные формы монолитных тоннельных обделок
Выработка железнодорожного или автодорожного тоннеля может быть оставлена незакрепленной лишь в весьма благоприятных условиях. Это допустимо в невыветривающихся скальных породах однородного строения с незначительной трещиноватостью. В случае необходимости (например, при большей трещиноватости) кровлю выработки закрепляют стойкими против коррозии анкерами из железобетона или алюминиевых сплавов.
В менее благоприятных геологических условиях подземную выработку, как правило, закрепляют постоянной конструкцией — тоннельной обделкой, которая придает выработке правильное очертание, приостанавливает остаточные деформации ее контура, воспринимает развившееся горное давление, обеспечивает защиту тоннеля от проникновения подземных вод, а окружающих горных пород — от выветривания.
Конструкцию тоннельной обделки выбирают в зависимости от характера горных пород (крепость, трещиноватость, водоносность, сопротивление выветриванию и т.п.) с учетом наиболее целесообразного в данных условиях способа производства работ.
При раскрытии выработки на полное сечение с крепью, располагаемой лишь по контуру выработки (в скальных породах), применяют обделки из монолитного бетона, набрызгбетона или сборного железобетона.
При раскрытии выработки по частям, закрепляемым по мере разработки породы (в мягких и неустойчивых породах), обделки выполняют из монолитного бетона.
Так как характер и водоносность пород обычно изменяются по длине тоннеля на его отдельных участках применяют обделки различных типов, отличающиеся друг от друга конструктивными формами и размерами сечений. При этом на участках, где раскрытие выработки ведут сразу на полное сечение и возможно применение передвижной опалубки, внутреннее очертание обделки рекомендуется принимать постоянным. В зависимости от величины горного давления толщину обделки изменяют уступами высотой не менее 10 см.
В крепких, но выветривающихся скальных породах горное давление отсутствует. Поэтому тоннельная обделка является по существу облицовкой, предназначенной для защиты окружающих пород от выветривания и для сохранения их несущей способности. Облицовочная обделка может быть выполнена в виде свода, опирающегося на вертикальные стены, или из набрызгбетона толщиной 10—15 см, нанесенного по стальной сетке, прикрепленной к коротким анкерам временного типа.
Во всех перечисленных случаях входные участки тоннеля (протяжением не менее 6 м), подвергающиеся особенно интенсивному выветриванию, закрепляют обделкой, способной воспринять продольную составляющую горного давления, возникающую у порталов в неблагоприятных геологических условиях.
В монолитных скальных породах, оказывающих только вертикальное горное давление (f = 6÷8), и при достаточно прочных стенах выработки тоннельная обделка может быть выполнена в виде свода, опирающегося на уступы породы, размеры которых задают с запасом в 15—20 см, чтобы исключить возможность ослабления опор свода при взрывании штроссы (рис. 2.2.1). При этом необходимо, чтобы ширина пролета была больше высоты свода не более чем в 4 раза, так как в пологих сводах возникают значительные смещения пят, опирающихся на породу, вызывающие большие изгибающие моменты в замковой части свода.
Рис. 2.1.1. Свод, опирающийся на стены выработки:
1 — дренажный лоток: 2 — торкретное покрытие; 3 — щебеночный балласт; 4 — бетонная подготовка
В трещиноватых скальных породах меньшей крепости (f < 6) кровлю и стены выработки необходимо закреплять несущей обделкой. При отсутствии бокового горного давления и гидростатического давления подземных вод можно применять вертикальные стены, более удобные при производстве работ и требующие меньшего расхода бетона. В породах, оказывающих боковое горное давление или воспринимающих давление воды, применяют, как правило, обделки с криволинейными стенами[1].
Обычно трение в подошве стен оказывается достаточным для предотвращения сдвига стен внутрь выработки. Тогда при отсутствии давления породы или воды снизу конструкцию обделки принимают состоящей из стен и верхнего свода. Для исключения возможности сдвига стен или восприятия давления со стороны подошвы выработки (выпирание неустойчивых пород из-под стен, гидростатическое давление) устраивают обратный свод.
В качестве примеров несущих тоннельных конструкций ниже приведены запроектированные Метрогипротрансом обделки однопутных железнодорожных и двухполосных автодорожных тоннелей из бетона марки 200 по прочности (марку бетона по морозостойкости выбирают в соответствии сСП 122.13330.2012 [2] в зависимости от климатических условий). Внутреннее очертание этих обделок соответствует показанному на рис. 2.1.2.
Рис.2.1.2. Внутреннее очертание обделок транспортных тоннелей
Обделки первой группы характеризуются односторонним расположением водоотводного лотка (в случае необходимости он может быть утеплен, для чего требуется понижение уровня подошвы стены).
Обделки типов I и II (рис. 60, а) предназначены для условий, в которых не требуется обратный свод. Обделки типов IIа и III имеют обратный свод (рис. 60, б) с заполнением из бетона марки 100, обеспечивающим сток воды к лотку. Обратный свод очерчен из центра, смещенного влево от оси обделки на 85 см и расположенного на высоте 460 см от уровня головки рельсов. Основные характеристики обделок этой группы приведены в табл. 2.1.1.
Таблица 2.1.1
Типовые монолитные обделки первой группы для железнодорожных однопутных тоннелей
| Показатели | Типы обделок (по рис. 2.2.3) | |||||
| I | II | IIa | III | |||
| Коэффициент f крепости пород | 3—5 | 3—5 | 1—2,5 | |||
| Основные размеры обделок (см. рис. 60), см: ddcdЛ h1 h2 bc | 30 30 – 110 90 80 – | 40 50 – 110 80 100 – | 40 50 30 155 80 100 110 | 50 80 40 165 95 130 140 | ||
| Несущая способность по образованию трещин в замке, тс/м2 | 4,0 | 7,9 | 7,9 | 20,2 | ||
| Объем 1 пог. м выработки, м3/пог. м | 45,3 | 48,0 | 51,4 | 56,4 | ||
| Объем бетона (марки 200) на 1 пог. м обделки тоннеля, м3 | 8,6 | 12,1 | 12,7 | 18,2 | ||
Рис. 2.2.3. Обделки однопутных железнодорожных тоннелей с односторонними лотками
Обделки второй группы (рис. 2.1.4) предназначены для суровых климатических условий и характеризуются наличием двусторонних утепленных лотков для отвода воды. Обделка типа I (рис. 2.1.4, а) не имеет обратногосвода, обделка типа II (рис. 2.1.4, б) может быть выполнена в двух вариантах, обделка типа III (рис. 2.1.4, в) — только с обратным сводом. При отсутствии обратного свода целесообразно укладывать бетон заполнения до уровня подошв стен, так как сохранение породы между водоотводными лотками нерационально по условиям производства работ. Основные характеристики обделок этой группы приведены в табл. 2.1.2.
Таблица 2.1.2
Типовые монолитные обделки второй группы для железнодорожных однопутных тоннелей
| Показатели | Типы обделок | |||
| I | II | III | ||
| Коэффициент f крепости пород | 3—5 | 1—2,5 | ||
| Несущая способность по образованию трещин в замке, тс/м2 | 4,5 | 8,9 | 23,0 | |
| Объем 1 пог. м выработки, м3 | 43,2 | 48,9 | 59,7 | |
| Объем бетона (марки 200) на 1 пог. м обделки тоннеля, м3 | 6,0 | 11,5 | 19,6 |
Рис. 2.1.4. Обделки однопутных железнодорожных тоннелей с двусторонними утепленными лотками для отвода воды, предназначенные для суровых климатических условий (обделки второй группы):
а — обделка типа I без обратного свода; б — обделка типа II; в — обделка типа III с обратным сводом
Все рассмотренные обделки имеют унифицированное внутреннее очертание, что обеспечивает возможность их сооружения с применением стандартного горнопроходческого и строительного оборудования. На кривых радиусом 600 м обделки уширяют на 600 мм за счет раздвижки элементов передвижной опалубки при сохранении кривизны стен и свода.
В сечении автодорожного тоннеля размещают вентиляционные каналы, вследствие чего его площадь значительно превышает площадь габарита приближения строений. По размерам сечение двухполосного автодорожного тоннеля приближается к сечению двухпутного железнодорожного тоннеля.
Для габарита Г-7 запроектированы типовые обделки автодорожных тоннелей типа I (рис. 2.1.5, а) и II (рис. 2.1.5, б). Над габаритом предусмотрено пространство для размещения вентиляционного канала площадью около 12 м2, что достаточно для искусственной вентиляции тоннеля длиной до 1200 м. Внутреннее очертание обделок стандартное. На кривой радиусом 250 м уширение сечения на 600 мм достигается поперечной раздвижкой элементов передвижной опалубки. Основные характеристики обделок приведены в табл. 10.
Таблица 2.1.3
Типовые монолитные обделки двухполосных автодорожных тоннелей
| Показатели | Типы обделок | |
| I | II | |
| Коэффициент f крепости пород | 3—5 | |
| Несущая способность по образованию трещин замке, тс/м3 | 6,5 | 10,8 |
| Объем 1 пог. м выработки, м3 | 65,7 | 80,0 |
| Объем бетона (марки 200) на 1 пог. м обделки тоннеля, м3 | 8,9 | 18,3 |
В породах с коэффициентом крепости, равным 1-2,5, применение подковообразной обделки большого пролета нецелесообразно. Поэтому типовая обделка для этого случая имеет круговое очертание и ее собирают из железобетонных элементов.
Проезжую часть тоннеля выполняют из бетона толщиной 150 мм, основанием для которого служит порода, полученная при проходке.
Рис. 2.1.5. Обделки автодорожных тоннелей:
1 — керамическая перфорированная труба диаметром 500 мм: 2 — каменная наброска; 3 — чугунная труба диаметром 150 мм; 4 — чугунный трап площадью 300×400 мм через 100 м; 5 — коммуникация, проходящие через тоннель; 6 — подвеска диаметром 25 мм; 7 — стяжная муфта; 8 — железобетонное перекрытие вентиляционного канала; 9 — цементобетон слоем 160 мм
Для сброса воды из тоннеля и осушения окружающих пород служит центральный дренаж, располагаемый за пределами сечения.
Кроме тоннельных обделок приведенных типов, возможны также и другие конструкции. Обделка, имеющая перелом в месте пересечения осей верхнего свода и вертикальных стен (рис. 2.1.6), удобна в производственном отношении: свод с примыкающими к нему верхними участками стен бетонируют в первую очередь с опиранием на пол калотты.
Рис. 2.1.6. Обделка с примыканием свода к стенам под углом
На косогорных участках тоннельная обделка находится в условиях одностороннего горного давления, часто достигающего значительной интенсивности (рис. 2.1.7). Если при этом расстояние от обделки до склона долины невелико или порода не обеспечивает достаточный упругий отпор, конструкцию обделки устраивают несимметричной, причем массивную стену со стороны долины, толщина которой может достигать 2-3 м, рассчитывают как подпорную.
Рис. 2.1.7. Обделка тоннеля на косогоре