Обоснование параметров обделок и рациональной технологии возведения микротоннелей
П.В. Школьников, аспирант, Тульский Государственный Университет (ТулГУ)
Возведение горнотехнических сооружений различного назначения с использованием технологии микротоннелирования начало развиваться в России с 1994 года. Первые тоннели малого диаметра сооружались в 1960Wх годах, но дальнейшего распространения эти работы не получили [1]. И только в настоящее время строительство тоннелей методом микротоннелирования возродилось и ведётся высокими темпами со скоростью 15–20 м в сутки и среднемесячной скоростью 150–300 м и более.
При возведении тоннелей малого диаметра механизированным способом без присутствия людей в забое наиболее востребованы железобетонные трубы. Сегодня большинство организаций при заказе обделок для строительства испытывают значительные трудности при выборе труб для конкретных инженерно-геологических условий. Сложность выбора заключается в том, что, как правило, сооружение тоннелей ведётся на базе зарубежного опыта, часто не соответствующего отечественным условиям, требованиям и возможностям, а такие важные показатели, как длина продавливаемого участка става труб и количество промежуточных домкратных станций, принимаются преимущественно из имеющегося отечественного опыта проходки, часто на свой страх и риск. Параметры объёмного арматурного каркаса, в том числе шаг навивки кольцевой арматуры, представляют собой важные прочностные показатели обделки. Однако им уделяется недостаточно внимания в нормативной литературе. Возникают практические вопросы с определением шага навивки и, следовательно, прочности обделки под конкретные нагрузки. Строительные организации и предприятия-изготовители труб часто закладывают необоснованно завышенные требования к прочности тоннеля, а это неизбежно ведёт к завышению стоимости строительства всего объекта.
В связи с этим обоснование и расчёт оптимальных параметров крепи микротоннелей в наиболее характерных инженерно-геологических условиях и в зависимости от влияющих факторов при проходке тоннеля, с учётом конструктивных особенностей самих труб, представляется актуальной инженерно-практической задачей.
Для определения напряжений на контуре обделки тоннеля рассматриваются плоские контактные задачи теории упругости для многослойного кольца, подкрепляющего отверстие в линейно деформируемой однородной изотропной среде. Использование бентонитовой рубашки позволяет значительно снизить касательные напряжения на контуре железобетонной трубы и, как следствие, уменьшить осевые нагрузки от действия домкратных станций. Контактные напряжения в каждом слое определяются через коэффициенты их передачи [2].
Величина шага навивки арматуры в объёмном каркасе – это важный прочностной параметр обделки микротоннелей.
Конструкция арматурного каркаса рассчитывается в зависимости от таких факторов как характер взаимодействия системы «крепь – горный массив», геометрические размеры труб для микротоннелирования, длина тоннеля и др. Максимальное напряжение в обделке от распределённой нагрузки возникает в верхней точке тоннеля.
Необходимый шаг армирования в каждом из двух рядов объёмного каркаса для кольцевой арматуры под воздействием приложенной распределённой нагрузки на один метр полезной длины рассчитывается по формуле:
где: ΔL – шаг навивки кольцевой арматуры, м; q – равномерно распределённая нагрузка на метр полезной длины, Н/м; b – ширина сечения (по длине трубы), принимаемая в расчёте 1 м; h0 – рабочая высота сечения армокаркаса в бетоне, м; d – расчётный диаметр кольцевой поперечной арматуры, принимаемый от 6 до 12 мм; Rs – расчётное сопротивление арматуры растяжению, МПа.
Усилия от домкратной станции вызывают дополнительные осевые сжимающие продольные силы, которые в несколько раз превышают давление от вышележащего массива пород. Величина шага навивки арматуры в объёмном каркасе является важным прочностным параметром обделки микротоннелей.
Условие прочности трубы от воздействия осевых нагрузок домкратной станции, с учётом продольной и кольцевой арматуры имеет вид:
где РД – максимальное осевое усилие домкратной станции, МН; е – случайный эксцентриситет, принимаемый в расчёте равным единице; S – площадь поперечного сечения обделки (трубы), м; Rb – расчётное сопротивление бетона сжатию, МПа; μ– коэффициент косвенного армирования кольцевой арматурой, равный 0.015...0.02 [3]; Rs – расчётное сопротивление растяжению поперечной кольцевой арматуры, МПа; r0, r1 – внутренний и внешний радиусы обделки микротоннеля, соответственно, м; Rsс – расчётное сопротивление арматуры сжатию, МПа; As – площадь сечения всей продольной арматуры, м; rус – усреднённый радиус расположения продольной арматуры, м.
При продавливании става железобетонных труб вслед за проходческим щитом усилие домкратных станций должно превышать сопротивление, возникающее при движении обделки по массиву пород. Необходимое усилие продавливания складывается из усилий, возникающих от трения става о грунт под влиянием горного давления, собственного веса става, а также усилия от сцепления става с грунтовым массивом.
На определённом этапе проходки протяжённых тоннелей сопротивление продавливанию значительно возрастает и осевое давление на обделку от стартовой домкратной станции становится близким критическому. Во избежание разрушения продавливаемой трубы, в том числе её торцевой части, необходимо своевременно устанавливать промежуточные домкратные станции.
Длина L одного става труб между домкратными станциями определяется на основе расчёта общего усилия продавливания по формуле:
где РД – максимальное усилие домкратной станции, выдерживаемое обделкой, кН; kЗ – технологический коэффициент, учитывающий 20% запас мощности домкратной станции для преодоления непредвиденных препятствий, равный 1.25; г – средний объёмный вес вышележащего грунтового массив, кН/м3; Н – глубина заложения тоннеля, м; D, d – внешний и внутренний диаметры тоннеля, соответственно, м; f0 – коэффициент трения бетона о грунт [4]; γж.б. – объёмный вес железобетона, т/м3; С0 – сцепление железобетонного става труб с раствором бентонитовой глины, кПа [4]; ν – коэффициент Пуассона; g – ускорение свободного падения, равное 9.8 кН/т.
На рис. 1 представлена гистограмма распределения осевых усилий на трубы Ду 1500 мм микротоннеля длиной 160 м.
График показывает характер изменения нагрузок на каждом участке между промежуточными домкратными станциями. Значения нагрузок были получены опытным путём по окончании продавливания каждой трубы длиной 3.0 м в ставе в стартовом колодце на реальных строящихся объектах.
В результате проведённых исследований с учётом параметров обделки (в том числе прочностных характеристик), горнотехнических условий, технологии производства работ, шага армирования в объёмном арматурном каркасе, расчётной максимальной длины между домкратными станциями, представлен график, демонстрирующий характер зависимости величины осевого давления от длины става железобетонных труб для различных диаметров микротоннелей (рис. 2).
Как показывает анализ графиков, проходку тоннеля целесообразно вести с осевыми давлениями до зоны риска, обеспечивающей 20% запаса мощности домкратной станции и позволяющей своевременно предусмотреть мероприятия по предупреждению возможных осложнений (например, связанных с преодолением препятствий, вынужденными простоями и, как следствие, повышенными усилиями при трогании и др.).
На основе результатов проведённых исследований разработаны Методические рекомендации по обоснованию и расчёту параметров крепления и рациональной технологии возведения микротоннелей различных диаметров для практического применения строящихся объектов в реальных горнотехнических условиях.
ЛИТЕРАТУРА:
1. П.П. Бессолов, А.Ю. Синицын. Минитоннелирование опыт и перспективы. РОБТ, №3, Инф. изд. центр «ТИМР», 1999 с. 10–14.
2. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для ВУЗов. – М.: Недра, 1994. 382 с.
3. Байков В.Н., Сигайлов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: учебник для ВУЗов. – 5 е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991. – 767 с.: ил.
4. Рекомендации по производству работ при сооружении тоннелей метрополитена методом продавливания, МинТрансСтрой СССР, 1988 г., 51 с.
