Проектирование прямого тоннеля с продольным уклоном 21,6%о

1. Трасса тоннеля

1.1. План и продольный профиль тоннеля

          В плане тоннель расположен на прямой. В продольном профиле он будет иметь уклон 21,6%о, что меньше допустимых 40%о. В этом случая можно будет выйти из точки А в точку В по прямой.

1.2. Инженерно-геологические условия

          Примерно до середины тоннеля (830м) следует участок глинистого грунта с плотностью – 2,0 т/м; коэффициентом крепости 1,2; кажущимся углом внутреннего трения 29˚; коэффициентом упругого отпора кН/м², не трещиноватый и не необводненный.

          Второй тип грунтов – порфиры. Плотность – 2,7 т/м; коэффициент крепости 8,3; кажущийся угол внутреннего трения 80˚; коэффициентом упругого отпора кН/м², слабо трещиноватый и средней  обводненности.

1.3. Габариты и поперечное сечение тоннеля

          Поперечное сечение тоннелей целесообразно выполнять в виде арки с подъемистым сводом. Такое очертание исключает действие растягивающих напряжений, что неприятно для бетона (железобетона) – основного материала тоннельных конструкций.

          Геометрические размеры тоннеля зависят главным образом от размеров габарита приближения строения, которые определяются в зависимости от категории дороги [2, 9].

Габарит приближения строения для автодорожных тоннелей III категории.

Рис. 1.1.

2. Тоннельные конструкции

2.1. Материалы обделок

В курсовом проекте принимаем конструкции из монолитного бетона, назначая класс бетона по прочности на сжатие В30. Кроме класса по прочности, для бетонных конструкций назначаем марку бетона по морозостойкости и водонепроницаемости F200 и W4, исходя из данного района местности (где –20<t<-40˚C).

Характеристики бетона В30: расчетное сопротивление для предельного состояния 1й группы осевому сжатию =17 МПа, осевому растяжению =1,2 МПа; начальный модуль упругости при сжатии и растяжении =32.5 кПа и =27 кПа у набрызгбетона.

2.2. Конструкция обделки тип 1

Задача проектирования тоннельной обделки заключается в выборе типа и материала конструкции, а также в установлении их внутреннего и наружного очертания.

Внутреннее очертание проектируем так, чтобы удовлетворять условию габарита, при этом желательно оставлять запас между габаритом и внутренним очертанием около 100 мм на геометрические ошибки при возведении. Линии внутреннего очертания должны плавно сопрягаться. В грунтах с коэффициентом крепости менее 4 обделку проектируют с обратным сводом. После нанесения на чертеж внутреннего контура на нем откладываем толщину обделок в характерных сечениях: для глинистого грунта №1(f=1,2): в замке 85см, в условной пяте свода 118см, в стене - 127см, в уровне образа фундамента – 160см, обратный свод имеет толщину 52см. Заблаговременно необходимо предусмотреть пространство для вентиляционных каналов и для коллектора.

2.3. Конструкция обделки тип 2

В связи с тем, что грунт №2 – порфириты с коэффициентом крепости 8,3, а трещиноватость слабая, разрешается применить облегченную обделку из набрызгбетона. На назначенное внутреннее очертание наносим слой набрызгбетона толщиной 19см в замке с его увеличением к стенам и обрезу фундамента. Проводим сопряжение через эти точки, получая плавное очертание тоннельной обделки. В данном случае для водоотводного коллектора будет отдельное углубление 1м.

2.4. Порталы, камеры, ниши

          Согласно нормам [4, п.3.9] тоннели должны иметь камеры и ниши. Камеры следует устраивать с каждой стороны тоннеля не более чем через 300 м, располагая их в шахматном порядке. А в п.3.18 сказано, что автодорожные тоннели длиной более 1000 м при отсутствии остановочных полос должны иметь через каждые 750 м местные уширения с площадками для аварийной остановки транспортных средств. Длина этих площадок должна быть не менее 50 м, а ширина - не менее 2,75 м. При двустороннем движении площадки должны быть с каждой стороны тоннеля.

      Применительно к порталам: Выступающая из лобового откоса часть тоннеля должна быть оформлена в виде горизонтальной площадки длиной не менее 2,0 м, покрыта плотной засыпкой толщиной не менее 1,5 м и защищена от размыва жестким покрытием.             

Парапет портала, поддерживающий засыпку и обеспечивающий задержание осыпающегося грунта с лобового откоса, должен возвышаться над засыпкой не меньше чем на 1,10 м.

Конструкция восточный портала показана на втором листе чертежей.

2.5. Дренажные устройства

В задании указано одно обводненное место длиной около 70м. В таких случаях применяют коптажные скважины. В тоннеле устраивается специальная коптажная камера из которой бурятся скважины. По ним вода стекает в камеру, а из нее к водоотводному лотку. Конструкция и разметы показаны на первом листе конструкций тоннельных обделок.

3. Статический расчет обделки тип 1

3.1. Нагрузки не тоннельную обделку

(3.1)

Расчет необходимо выполнять с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок. Рассмотрим сочетание, когда на конструкцию действует ее собственный вес q^р_св и горное давление q^р_гд. Суммарная расчетная нагрузка q^р= q^р_св + q^р_гд

          где q^р_св = q^н_св × g_f1; q^р_гд = q^н_гд × g_f2;

(3.2)

          Здесь g_f1 = 1,5 для глинистых грунтов, g_f2 = 1,2 для монолитных бетонных обделок;

q^н_св = G/B = V×g_б/B

где V – объем бетона обделки на 1 метр длины тоннеля, g_б – удельный вес бетона = 24 кН/м³, B – Ширина тоннеля в условной пяте свода;

(3.3)

Для определения q^н_гд воспользуемся гипотезой Протодьяконова:

q^н_гд = h₁× g × К_р

где g - удельный вес грунта над обделкой; К_р – коэффициент, принимаемый по СНиП II-44-78; h₁ = L/(2×f_кр).

Свод обрушения по Протодьяконову.

	(3.4)

 

L=B+2h×tg(45-j/2),

Где j - кажущийся угол внутреннего трения грунта; В = 12,68м; h = 10,85м.

q^н_св=24×18,74/12,68=35,47кН/м²;

q^н_гд=10,61×2×9,81×2=416,31кН/м²;

Рис. 3.1.

L=12,68+2×10,85×tg(45-29/2)=25,6м; h₁=10,61;

q^н_св=35,47×1,2=42,56кН/м²;

q^р_гд=416,31×1,5=624,46кН/м²;

q^р = 667,02 кН/м².

3.2. Методика расчета и расчетная схема

Расчет производится методом конечных элементах на ЭВМ с помощью программы TUN2. Расчетная схема представляет собой стержневую плоскую систему, имеющую геометрию обделки, на которую накладываются нулевые перемещения и действующие усилия. Схема приводится на втором листе чертежей.

3.3. Внутренние усилия в конструкции

Результатом работы программы TUN2 являются окончательные эпюры изгибающих моментов, продольных сил и реакций отпора грунта. Эпюра усилий приводится на листе, а значения по точкам – в распечатке результатов работы. М_max=3072kHm, N=3971kH и М=3069kHm, N_max=4028kH.

3.4. Проверка прочности сечений обделки

Проверка производится по следующей схеме:

(3.5)

1. Вычисляют эксцентриситет приложения продольной силы, м:

e₀h=M/N,

          где h - коэффициент влияния прогиба (для обделок h=1).

e₀h=3072/3971=0,774. Получилось, что 0,774>0,45*h (h = 1,2 – толщина обделки). В этом случае делаем вывод о необходимости армирования обделки тоннеля. Однако по формуле внецентренного сжатия проверку все равно производят.

	(3.6)

          Где R_b – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию = 17МПа.

g_b6 – коэффициент, учитывающий попеременное замораживание и оттаивание = 0,85 [2, 21]; g_b9 = 0,9 – учитывает отсутствие рабочей арматуры;