4. Проектирование тоннельных конструкций.

В нутренние размеры обделок железнодорожных тоннелей должны соответствовать габариту приближения строений "С" (рис.4.1), приведенному в ГОСТ 9238, с учетом размещения за пределами этого габарита устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), светильников и кабелей, а также строительных допусков на сооружение обделки тоннеля [1, с. 64].

Р азмеры, показанные в виде дроби, означают: в числителе – для контактной подвески с несущим тросом, в знаменателе – без несущего троса.

На криволинейных участках пути габарит "С" должен быть увеличен вследствие наклона вагона и выноса его концов и середины в стороны от оси (рис. 4.2). Наклон вагона обуславливается возвышением h наружного рельса, которое назначают в зависимости от наибольшей скорости движения, допускаемой на кривой данного радиуса. На кривых R<1500м h=160мм.

На рис. 4.2 приведен увеличенный габарит для Н= 6400 мм на кривой радиусом 600 м.

Угловые точки 1—6 габарита на кривой смещаются наружу от оси пути в положение 1'—6'. Кроме того, на контуре увеличенного габарита возникает дополнительная точка 4', координаты которой для радиусов от 200 до 1500 м принимают равными: при высоте габарита 6400 мм х=190, у=6620; при высоте габарита 6250 мм х=310, у=6480. Смещения точек 3 и 4 принимают равными для кривых радиусом от 200 до 1500 м: при высоте габарита 6400 мм Δ₃=810 мм., Δ₄= 170 мм; при высоте габарита 6250 мм Δ₃= 790 мм; Δ₄= 160 мм.

Вертикальные размеры габарита приближения строений отсчитывают от уровня верха головки внутреннего рельса, горизонтальные — от вертикали, проходящей внутри колеи на расстоянии 760 мм от рабочего канта головки (см. рис. 4.2).

Рис.4.2. Габарит приближения строений "С" на криволинейном в плане участке пути.

В двухпутных тоннелях необходимо также увеличить междупутье. Вертикальная линия, проведенная через середину отрезка, соединяющего крайние точки уширенного габарита, является осью тоннеля (рис. 4.3).

Рис.4.3. Габарит приближения строений "С" для двухпутного тоннеля на криволинейном в плане участке пути.

Автодорожные тоннели проектируют, как правило, для двухполосного движения в обоих направлениях.

Внутреннее очертание обделок автодорожных тоннелей описывается вокруг габарита приближения строений «Г».

Габариты приближения строений и оборудования автодорожных тоннелей, располагаемых на прямых участках в плане и кривых радиусом более 1000 м, следует принимать по ГОСТ 24451 (рис.4.4).

Ширину проезжей части Г назначают в зависимости от категории дороги и длины тоннеля в соответствии с приведенной на рисунке таблицей. Служебные проходы П шириной 750 мм принимаются для тоннелей, сооружаемых на дорогах I и II категорий, по обеим сторонам проезжей части; для тоннелей, сооружаемых на дорогах III и IY категорий, с одной стороны предусматривается устройство служебного прохода, с другой защитной полосы шириной 500 мм.

Рис.4.4. Габариты приближения строений и оборудования автодорожных тоннелей.

При наличии пешеходного движения могут дополнительно устраиваться тротуары (однополосные шириной 1000 мм или двухполосные шириной 1500 мм). При этом требуется понижать допускаемые концентрации окиси углерода в зависимости от времени пребывания людей в тоннеле.

При расположении тоннеля на кривой радиусом 700 м и менее проезжую часть уширяют. При радиусах кривых в пределах от 700 до 550, 500…450, 400…200, 200…150 и 125…90 м уширения соответственно назначают равными 0,40; 0,50; 0,60; 0,75; и 1,0 м.

При назначении внутреннего очертания тоннельной обделки, кроме габаритных должны быть учтены также эксплуатационные, строительные и экономические соображения.

В подсводовой части автодорожного тоннеля располагают обычно вентиляционные каналы. Поэтому при построении внутреннего контура следует предварительно рассчитать объем воздуха, потребного для проветривания тоннеля, выбрать систему вентиляции и определить необходимую площадь вентиляционных каналов.

Внутренние размеры обделок железнодорожных тоннелей должны назначаться с учетом размещения за пределами габарита устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), светильников и кабелей, светофоров. Требуемая для этого величина зазора в стенах выработки не менее 30…35см.

Между внутренним контуром обделки и угловыми (критическими) точками габарита должен быть обеспечен некоторый зазор, гарантирующий от появления негабаритности из-за неточности строительных работ и деформаций конструкции. В слабых породах этот запас достигает 15 см, в крепких скальных – 5…10 см.

Форма поперечного сечения тоннеля, удовлетворяющая перечисленным эксплуатационным требованиям, должна обеспечивать рациональную статическую работу конструкции под заданными нагрузками и соответствовать особенностям применяемых строительных материалов и способа производства работ. Необходимо стремиться к сокращению поперечного сечения выработки, с увеличением которого возрастают объемы работ и стоимость сооружения.

Значительное влияние на выбор внутреннего очертания тоннеля при заданных габаритах оказывают геологические и гидрогеологические условия его заложения, определяющие в большинстве случаев форму, материал и конструкцию обделки, а также способ работ по сооружению тоннеля.

Особенностью бетона как основного материала для возведения тоннельных конструкций является небольшое сопротивление растяжению, которое составляет примерно одну десятую часть прочности бетона на сжатие. Поэтому для лучшего использования прочности материала и получения более экономичного решения следует стремиться к заданию такого очертания конструкции, при котором в ее сечениях преобладают сжимающие напряжения. Для этого кривая давления, характеризующая положение нормальных сил в сечениях обделки, должна располагаться как можно ближе к оси обделки.

Практика проектирования определила ориентировочные границы геологических условий, в которых могут применяться обделки того или иного очертания, и выработала некоторые правила построения их контуров.

Основными из этих правил являются требования плавного изменения оси обделки и ее подъемистая подковообразная форма при преобладании вертикальных нагрузок (h/B>0,25). При отсутствии бокового горного давления стены подковообразной обделки могут проектироваться вертикальными, а свод очерчивается по круговой кривой (однопутные железнодорожные тоннели) или трехцентровой кривой (двухпутные железнодорожные и автодорожные тоннели).

При воздействии вертикального бокового горного давления обделки однопутных железнодорожных тоннелей имеют внутреннее очертание в виде подъемистого свода, контур которого очерчивается по пяти- или трехцентровой коробовой кривой Обделкам двухпутного железнодорожного или автодорожного тоннелей в этих условиях обычно придают форму трехцентровой коробовой кривой.

П еречисленным требованиям удовлетворяет внутреннее очертание обделок следующих видов (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Внутреннее очертание обделок транспортных тоннелей

При курсовом проектировании рекомендуется первоначально на миллиметровке построить «от руки» несколько вариантов внутреннего очертания обделки, руководствуясь приведенными выше положениями, а также требованиями, изложенными в [1, с. 65–68]. При этом, в качестве образцов могут быть использованы внутренние очертания обделок, приведенные в [1, с. 72—77]. Установив наиболее рациональный и экономичный вариант, следует подобрать радиусы круговых кривых и привязать их центры (к вертикальной оси обделки и уровню головки рельсов или проезжей части) таким образом, чтобы вычерченный контур с максимальным приближением описывал предварительно намеченный. Окончательно значения радиусов кривых и размеры, привязывающие их центры, устанавливаются графически по чертежу.

Нижняя часть обделки проектируется в соответствии с заданными геологическими, гидрогеологическими и климатическими условиями, в зависимости, от которых решается вопрос о необходимости устройства плиты или обратного свода, устраиваются верхнее строение пути и водоотводные лотки [1, с. 82—84].

Основными материалами для сооружения обделок горных тоннелей являются монолитный бетон, железобетон и набрызгбетон. Выбор того или иного из них производится в зависимости от географических, геологических, сейсмических и других условий, характеризующих особенности расположения тоннеля, с учетом способов производства тоннельных работ.

Значения класса бетона по прочности на сжатие следует применять не ниже:

В15 - для бетонных монолитных и набрызгбетонных обделок, порталов;

В25 - для железобетонных монолитных обделок.

Для обделки тоннеля, сооружаемого горным способом, в качестве материала обычно применяется монолитный бетон класса В20.

В монолитных, невыветрившихся и неводоносных крепких скальных грунтах (f >10) без трещин и прослоек тоннельная выработка может быть оставлена без обделки, но с обязательной расчетной проверкой размера пролета выработки и высоты ее свода. Однако и в этих случаях на длине не менее 6 м от входов обязательно устройство защитной обделки.

В очень крепких скальных грунтах (f >10), но выветриваемых либо обводненных бывает достаточно устройства облицовочной обделки из набрызгбетона или монолитного бетона минимальной толщины.

В необводненных слаботрещиноватых скальных грунтах с коэффициентом крепости по Протодьяконову f = 6 ÷ 8, когда при проходке прогнозируются незначительные по объему обрушения грунта, приуроченные к сводовой части выработки, нет необходимости бетонировать обделку по всему периметру. В этом случае достаточно возвести несущую конструкцию в виде полого бетонного свода, опирающегося на уступы грунта. Стены выработки предохраняет от выветривания и местных отслоений грунта облицовка из набрызгбетона 2 толщиной 5 ÷ 10 см (рис. 4.6). Свод может быть постоянной или переменной жесткости. В последнем случае, увеличивая высоту рабочего сечения свода от замка к пятам, добиваются большей устойчивости конструкции и снижения напряжений в грунте под пятами свода. Как правило, пяты свода наклонены к горизонту под углом  =15 ÷ 20°, чтобы равнодействующая усилий в пяте свода была направлена в глубь грунтового массива. Для повышения устойчивости пят свода целесообразно устроить выступы ‑ бермы шириной 0,15 ÷ 0,2 м.

В менее устойчивых трещиноватых скальных грунтах (f < 6 ÷ 8) несущей конструкцией необходимо закрепить выработку по всему периметру и обделка приобретает форму подъемистого свода. При отсутствии бокового горного давления стены подковообразной обделки могут проектироваться вертикальными, а свод очерчивается по круговой кривой (однопутные железнодорожные тоннели) или трехцентровой кривой (двухпутные железнодорожные и автодорожные тоннели) (см. рис. 4.6).

Рис. 4.6. Конструкции обделки в виде полого бетонного свода, опирающегося на уступы грунта

Рис. 4.7. Конструкции обделок однопутного железнодорожного тоннеля в виде подъемистого бетонного свода

При воздействии вертикального бокового горного давления обделки однопутных железнодорожных тоннелей имеют внутреннее очертание в виде подъемистого свода, контур которого очерчивается по пяти - или трехцентровой коробовой кривой (рис. 4.7). Обделкам двухпутного железнодорожного или автодорожного тоннелей в этих условиях обычно придают форму трехцентровой коробовой кривой (рис.4.8).

а)

б)

Рис. 4.8. Конструкции обделок двухпутного железнодорожного (а) и автодорожного (б) тоннелей в виде подъемистого бетонного свода

Нижняя часть обделки проектируется в соответствии с заданными геологическими, гидрогеологическими и климатическими условиями, в зависимости, от которых решается вопрос о необходимости устройства плиты или обратного свода, устраиваются верхнее строение пути и водоотводные лотки. В неустойчивых грунтах с f <1…1,5 (особенно в водоносных), в глинистых грунтах, склонных к пучению, в сейсмоопасных районах необходимо сооружение обратного свода. Обратный свод предотвращает смещение стен под действием бокового давления, распределяет вертикальное давление на большую площадь и воспринимает давление снизу.

О бделки однопутных железнодорожных тоннелей устраивают с односторонним дренажным лотком или (в суровых климатических условиях, требующих быстрого стока воды) с двумя утепленными лотками (рис. 4.6), вода к которым стекает по поверхности бетонного заполнения, имеющей уклон 2 %. При отсутствии обратного свода (см. рис. 4.7, б) целесообразно укладывать бетон заполнения до уровня подошвы стен, так как сохранение грунта между дренажными лотками нерационально по условиям производства работ.

Рис. 4.9. Конструкции обделок однопутного железнодорожного тоннеля Байкало-Амурской магистрали

По аналогичным соображениям можно рекомендовать раскрытие выработки до уровня шелыги обратного свода с соответствующим понижением подошв стен, как это сделано в тоннелях БАМа (рис. 4.9). Это позволяет раскрыть выработку за один прием без переноса транспортных устройств.

Обделки из монолитного железобетона в силу стесненных условий выполнения арматурных работ, и, как следствие, их значительной трудоемкости, можно рекомендовать только для тоннелей, сооружаемых на участках со значительным горным давлением или в тоннелях, расположенных в сейсмически активных районах.

В сложных гидрогеологических условиях монолитные обделки замкнутого контура могут быть заменены на сборные обделки кольцевого сечения, хорошо воспринимающие горное давление. В транспортных тоннелях они встречаются на трудных участках, где другие решения неприменимы.

При расчетной сейсмичности 8 баллов и более обязательно применение замкнутой обделки (кругового или подковообразного очертания с обратным сводом). Кроме этого, в монолитных бетонных и железобетонных обделках, сооружаемых в сейсмических районах, необходимо устройство поперечных деформационных швов, допускающих взаимные продольные смещения смежных участков обделки без силового воздействия их друг на друга и нарушения водонепроницаемости гидроизоляции. Расстояние между антисейсмическими швами назначают в соответствии ВСН 193-81. Оно не должно быть менее 20 м для обделок из монолитного бетона и 40 м из сборного железобетона.

Проезжую часть автодорожных тоннелей выполняют из бетона толщиной 150 мм, основанием для которого может служить грунт, полученный при проходке.

Для предварительного назначения геометрических размеров обделок из монолитного бетона в курсовом проекте можно пользоваться данными табл. 4.1.

В качестве обделок при сооружении тоннелей горным способом могут быть применены различные конструкции обделок с использованием набрызгбетона. В зависимости от инженерно-геологических характеристик грунтового массива применяют:

- набрызгбетонное покрытие;

- набрызгбетонное покрытие в сочетании с железобетонными или сталеполимерными анкерами;

- набрызгбетонное покрытие в сочетании с металлическими арками;

- двухслойная обделка, включающая первичную набрызгбетонную комбинированную обделку и вторичную из монолитного бетона.

Во всех указанных типах обделок набрызгбетон наносится по металлической сетке.

Для предварительного назначения геометрических размеров обделок из монолитного бетона в курсовом проекте можно пользоваться данными табл. 4.1. В скальных породах с коэффициентом крепости более f ³4, при курсовом и дипломном проектировании допускается проработать варианты облегченных обделок, используя данные таблицы 4.2.

В пояснительной записке необходимо указать протяженность участков с однотипной обделкой с привязкой их к пикетажу и дать краткое обоснование принятых конструктивных решений на основе их технической и экономической оценки.

Технические характеристики выражаются в основном показателями натуральными, к которым могут быть отнесены: соответствие очертания обделки и размеров сечений инженерно-геологическим условиям, вид и расход материалов, степень механизации и индустриализации работ по возведению обделки, производительность и затраты труда и т. п.

Таблица 4.1. Геометрические размеры обделок из монолитного бетона
Тип тоннеля	Характер­ные сечения обделки (см. рис.)	Ориентировочная высота сечений бетонной обделки в сантиметрах при коэффициенте крепости пород по М. М. Протодьяконову
		f=1	f=2	f=3	f=4		f=5	f>6
Однопутный железнодорожный	Замковое сечение hз	55	50	45	40		35	30
Двухпутный железнодорожный		85	75	65	60		55	40
Автодорожный (габарит Г-7)		75	65	55	50		45	40
Автодорожный (габарит Г-8)		80	70	60	55		50	40
Для всех типов тоннелей	Условная пята свода hп	h п=(1,4...1,3)hз				hп=(1,3...1,1) hз
	Стена hст	hст=(1,6 ... 1,5) hз				hст=(1,5...1,3) hз
	По обрезу фундамента ho	ho=(2,0...1,8) hз				hл=(0.8…1,6) hз
	Обратный свод (лоток) hл	hл = (0,8 .. .0,7) hз

Таблица 4.2.

Конструкция обделок из набрызгбетона

Назначение тоннеля	Вид набрызг- бетонного покрытия	Коэффициент крепости f
		2–3	3–4	4–6	6–8	8
		толщина покрытия, мм
Однопутный железнодорожный	Сплошное С анкерами С арками и анкерами	– – -	– 200-150	– 200-150 150-200	200–150 150-100 100-150	150–100 100–50 -
Двухпутный железнодорожный или автодорожный (Г-8)	С арками и анкерами		200–150	150-100	100–50	-

Примечание. При всех типах обделки покрытие из набрызгбетона должно быть выполнено по металлической сетке.

Экономические характеристики выражаются преимущественно денежными показателями, которые в курсовом проекте определяются подсчетом стоимости 1 пог. м обделки каждого типа по укрупненным расценкам на основные работы.

Стоимость 1 пог. м обделки

№ п/п	Наименование основных работ по сооружению тоннеля	Единица измерения	Стоимость на единицу, руб.	Тип I		Тип II и т. д.
				Колич.	Стоим.	Колич.	Стоим.
1 2 . .
Итого:					–		–

Для оценки стоимости строительства тоннеля следует составлять сметы в новой базе 2001г. С этой целью рекомендуется использовать программный продукт “Smeta WISARD” ЗАО “ ВИЗАРТСОФТ”, который используется на предприятиях С.-Петербурга: Метрострой, Подземстройпроект, ПКТБ Петербургского метрополитена, трест Севзаптрансстрой и др.

Водоотводные устройства и гидроизоляция тоннелей осуществляется согласно рекомендациям, приведенным в [1, с. 78–84] .

В целях безопасности обслуживающего персонала в железнодорожных тоннелях предусматриваются ниши, располагающиеся через 60 м с каждой стороны в шахматном порядке. Для хранения ремонтного оборудования и укрытия дрезины через каждые 300 м по обеим сторонам железнодорожного тоннеля вместо ниш сооружаются камеры. По этой же схеме устраиваются камеры в автодорожных тоннелях.

К онструкции порталов проектируется с учетом местных геологических и гидрогеологических условий и устойчивости откосов. Основные сведения о проектировании порталов тоннеля изложены в [1, с. 84–85].

Рис. 4.10. Конструкция тоннельных порталов без продольных подпорных стен:

а – для грунтов с f = 1…1,5; б - для грунтов с f > 2

Таблица 4.4.

Коэффициент крепости, f	1,0	1,5	2,0	3,0	≥4,0
Крутизна откоса 1:m	1:1,5	1:1	1:0,8	1:0,5	1:0,3