Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей
Шрифт:
Рис. 4-4. Трехмерная модель оболочки-пружины
Рис. 4-5. Блок пружины напряжения грунта
Рис. 4-6. Разделение элементов тюбинга
(3)
Суть стратиграфической структурной модели заключается в учете влияния разгрузки напряжений в каверне после выемки грунта в исходном поле напряжений и совместной опоры породы периметра и структуры на стратиграфическое давление. Эквивалентные узловые силы вокруг отверстия извлекаются из рассчитанного поля напряжений собственного веса и дисконтируются с учетом снятия напряжений, затем прикладываются к узлам монолитных блоков вокруг отверстия и передаются на конструкцию туннеля через фундаментные блоки для достижения совместной опоры окружающей породы и конструкции. Процесс аналогичен процессу построения стратиграфической и структурной модели с использованием метода плоских конечных элементов. Разделение элементов конструкции и крепление болтов показано на рис. 4-7, 4-8.
Рис. 4-7. Положение крепления болтов
Рис. 4-8. Разделение элементов конструкции
(4) Модель оболочка-пружина с добавочным напряжением при продольной деформации Модель оболочка-пружина с добавочным напряжением при продольной деформации построена на основе конечных элементов, а для анализа дополнительных внутренних сил и деформаций в трехмерной структуре туннеля щита после возникновения продольных деформаций используется метод вынужденного перемещения. Данная модель была разработана с использованием блоков оболочки, блоков пружины сжатия, блоков пружины сдвига, блоков вращающейся пружины и блоков контакта, следуя идее модели оболочка-пружина с добавочным напряжением при продольной деформации для анализа поперечных внутренних сил щитовых туннелей.
4.1.3. Расчет нагрузки на тюбинг
1) Виды нагрузок и их комбинации
Разнообразие нагрузок, учитываемых при проектировании обделки, и многочисленные неопределенности в их значениях означают, что они должны устанавливаться в соответствии с различными условиями и методами проектирования, а также комбинироваться в зависимости от использования туннеля. Комбинация этих нагрузок варьируется в зависимости от назначения туннеля. Иногда даже необходимо комбинировать нагрузки в соответствии с наиболее неблагоприятными условиями, которые могут возникнуть на каждом этапе строительства и эксплуатации, например, выбирая комбинацию нагрузок, которая дает наибольшее воздействие нагрузки на конструкцию облицовки и наиболее неблагоприятные условия работы. В таблице 4-4 перечислены типы нагрузок, используемых при проектировании тюбингов.
Таблица 4-4. Виды нагрузок, используемые при проектировании тюбингов
В приведенной выше таблице основные нагрузки – это основные нагрузки, которые обычно должны учитываться при проектировании тюбинга. Дополнительные нагрузки – это нагрузки, которые будут приложены во время строительства и после завершения строительства туннеля, это нагрузки, которые необходимо учитывать в зависимости от использования туннеля. Кроме того, специальные нагрузки – это нагрузки, которые должны быть специально учтены в зависимости от условий пласта, использования туннеля и т. д.
На рис. 4-9 показано распределение основных нагрузок в туннеле щита.
Рис. 4-9. Схематическая диаграмма распределения основных нагрузок в щитовом туннеле
(4-1)
где: P e \ Pw –
qe1 \ qe2 – горизонтальное давление в грунте (кПа);
qw1 \ qw2 – горизонтальное гидравлическое давление (кПа); qr – горизонтальное сопротивление грунта (кПа),
распределенное в диапазоне 45° выше и ниже горизонтального диаметра;
K – коэффициент горизонтального сопротивления грунта (кН/м3);
? – А горизонтальное смещение точки (м);
P g – сила реакции собственного веса конструкции (кПа);
W – вес на единицу длины кольца тюбинга (кН).
Рис. 4-10. Схема расчетной модели для давления на рыхлый грунт
2) Давление на грунт Давление на грунт, используемое для проектного расчета тюбинга, состоит из вертикального давления в грунте и горизонтального давления в грунте, значения которых не зависят от деформации туннеля. Кроме того, давление грунта на дно туннеля можно рассматривать как обратное давление грунта и трактовать как силу реакции основания. Существует два способа расчета давления грунта, один из которых заключается в том, чтобы рассматривать давление воды как часть давления грунта. Другой способ заключается в расчете давления воды отдельно от давления грунта. Первый обычно используется для вязких грунтов, а второй – для песчаных почв. Для промежуточных почв нет четких критериев, но коэффициент проницаемости от 10-4 ~ 10-3 см/с может быть использован в качестве отсекающего значения. В случае давления почвы и давления воды используется влажная мощность выше уровня грунтовых вод и насыщенная мощность ниже уровня грунтовых вод; в случае давления воды и давления почвы используется влажная мощность выше уровня грунтовых вод и плавающая мощность ниже уровня грунтовых вод.
(1) Вертикальное давление на грунт
В зависимости от расположения туннеля и условий основания вертикальное давление грунта может быть либо полным давлением вскрышных пород, либо давлением рыхлого грунта. Как правило, толщина вскрышных пород больше наружного диаметра туннеля, поэтому в случае песчаных или твердых вязких грунтов используется давление рыхлого грунта; в других пластах, где невозможно получить арочный эффект грунта, используется общее давление вскрышных пород. Для расчета давления рыхлого грунта обычно используются размеры, показанные на рис. 4.10, и формула Терзаги.
(4-2a)
(4-2b),
где: ? v давление рыхлого грунта по формуле Терзаги;
H – высота релаксации почвы;
K 0 – отношение горизонтального и вертикального давления грунта (часто принимается как K0 – 1);
? – угол внутреннего трения почвы;
p0 – вышележащая нагрузка;
? – тяжесть грунта;
c – адгезия грунта.
Если p0 / ? меньше, чем h0, используется следующая формула:
(4-3a)
(4-3b)
В случае, если p0/ ?меньше H, то используется следующая формула:
(4-4),
где: H1 – пересчитанная толщина вскрышных пород, H1 = H + p0 / ?
(2) Горизонтальное давление грунта