Часть I. Элементы тоннеля.

Введение.

Тоннели в течение всего срока службы (по ГОСТ 27.002) должны удовлетворять требованиям бесперебойности и безопасности движения транспортных средств, экономичности и наименьшей трудоемкости содержания строительных конструкций и постоянных устройств, обеспечения здоровья и безопасных условий труда обслуживающего персонала, а также требованиям охраны окружающей среды.

Железнодорожные тоннели следует отнести к I повышенному уровню ответственности сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям.

Сооружение тоннелей осуществляется по утвержденным проектам организации строительства и производства работ, разработанным в соответствии с требованиями СНиП 32-04-97 Проекты предусматривают механизацию основных наиболее трудоемких строительно-монтажных работ и содержат планы ликвидации возможных аварий.

При сооружении тоннеля следует руководствоваться как конструктивно-техническими и экономическими требованиями, так и эстетическими и временными. Цель курсового проекта – уяснить принципы проектирования и способы строительства транспортных тоннелей.

Часть I. Элементы тоннеля.

1.1. Исходные данные к проекту.

В данной курсовой работе необходимо разработать проект двухпутного железнодорожного тоннеля, сооружаемого горным способом. В состав проекта должны входить:

- составление плана и профиля тоннеля;

- разработка конструкций тоннельных обделок

- определение способов производства работ.

Приведенные в работе расчеты выполнены в соответствии с указаниями СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные».

Основные физико-механические свойства грунтов, составляющих горный массив, приведены в таблице1.

Таблица 1

Отметка подхода к тоннелю – 1560.00

Радиус кривой – 700 м;

Руководящий уклон на трассе – 12‰.

1.2. Трассирование линии. Обоснование продольного профиля.

Применение тоннелей на высокогорных участках железнодорожных и автодорожных линий расширяет возможности их трассирования и улучшает условия эксплуатации. План и профиль пути в тоннеле проектируют по нормам, установленным для открытых участков трассы с учетом особенностей, связанных с расположением линий в подземной выработке.

Рекомендуется пересекать препятствие тоннелем таким образом, чтобы длина тоннеля оказалась наименьшей и располагать их на прямых участках пути, так как тоннели, расположенные на кривых, имеют следующие недостатки:

- необходимые уширения габаритов приближения строений на кривых, вызывающих увеличение размеров выработки и объема работ по сооружению тоннельной обделки;

- усложнение подземной разбивки оси тоннеля, увеличение износа рельсов (особенно на кривых малых радиусов), находящихся во влажном воздухе тоннеля в неблагоприятных условиях;

- ухудшение условий вентиляции.

Однако в множестве случаев расположение тоннелей на кривых является наивыгоднейшим вариантом.

Для сокращения длины тоннеля, уклоны на подходах к нему принимаются максимально допустимые. Внутри горного массива уклоны применяются минимальными с целью улучшения условий эксплуатации. По условию отвода воды из тоннеля i_min =3‰.

Максимальный уклон в железнодорожном тоннеле назначается смягченным по сравнению с максимальным уклоном открытой трассы. Это связано с уменьшением сцепления подвижного состава с рельсом из-за повышенной влажности в тоннеле и большого сопротивления воздуха подвижному составу.

Коэффициент смягчения уклона m зависит от длины тоннеля. При длине тоннеля от 1 до 3 километров коэффициент смягчения m =0, 85.

Уклон в тоннеле определяется по формуле:

i_т = m · i_р – i_экв

где i_р - руководящий уклон;

i_экв - уклон, эквивалентный сопротивлению движения на кривой; в курсовом

проекте i_экв =1‰.

В нашем случае:

• Уклон на подходах к тоннелю

i_т = т· i_р – i_эк = 0, 85·12 -1=9, 2 ‰.

Принимаем смягчённый уклон на подходе к тоннелю i_т= 9 ‰;

1.3. Определение длины тоннеля.

Окончательная длина тоннеля определяется из места нахождения порталов. Она определяется исходя из равенства стоимости 1п.м. выемки 1 п.м. тоннеля.

Опыт проектирования и эксплуатации тоннеля показывает, что максимальная глубина выемки, которая принимается в грунтах с коэффициентом крепости f =0, 5-3 составляет H_max =10-15 метров, а в грунтах с коэффициентом крепости f > 3 составляет H_max =15-25 метров.

С учётом всех этих требований устраиваем порталы:

- западный - на пикете ПК684+40, 00, глубина выемки Hв=24м;

- восточный – на пикете ПК698+00, 00, при глубине выемки Hв=15м.

В результате полная длина тоннеля составляет L_т =1360, 00 метров.

Продольный профиль запроектированного тоннеля показан на чертеже лист 1.

1.4. Расчет искусственной вентиляция тоннеля.

Целью проектирования вентиляции тоннелей является разработка мероприятий, обеспечивающих подачу в тоннель чистого воздуха в таком количестве, при котором вредные газовые примеси разбавляются до безопасных предельно допустимых концентраций(ПДК).

Система вентиляции тоннеля зависит от длины тоннеля, площади поперечного сечения, величины уклонов и радиусов кривых, вида транспорта и других условий. В процессе эксплуатации тоннеля, в воздух транспортной зоны попадают различные вредные вещества. Это выхлопные газы транспортных средств, газы, выделяемые окружающими породами. Кроме того, качество воздуха ухудшается также за счет повышения температуры, влажности и других факторов.

Расчет воздухообмена по содержанию вредных веществ в воздухе транспортной зоны тоннеля производится по окиси углерода (СО). К моменту выхода локомотива из тоннеля, концентрация вредных газов составит:

(г/м³);

где С_к - предельно допустимая концентрация;

V - объем транспортной зоны тоннеля; М - количество вредного газа, выделяемого в тоннеле.

Объем транспортной зоны тоннеля определяется по формуле:

;

Количество вредного газа, выделяемого в тоннеле, определяется по формуле:

(г);

где - время нахождения транспортного средства в тоннеле (с);

l_i – длина участка тоннеля, м;

V_i – скорость локомотива на данном участке, м;

скорость при движении на спуск V_i =25 м/с;

скорость при движении на подъём V₁ =16 м/с;

V₁ =19 м/с;

V₁ =21 м/с;

k_i - количество сжигаемого топлива; k =0, 2 кг/c при движении на подъём,

k =0, 01 кг/c при движении на спуск.

q_co - количество окиси углерода, выделяемое при сгорании 1 кг топлива;

в курсовом проекте q_co =0, 26-0, 77 г.

При запроектированном продольном профиле имеем 4 участка движения:

1) движение на подъём, l₁ =360 м, l₂ =400 м, l₃ =300 м, k₁ =0, 2 кг/c=200 г/с;

2) движение на спуск, l₂ =300 м, k₂ =0, 01 кг/c=10 г/с.

Время нахождения поезда в тоннеле с ≈ 1.17 мин.

Согласно СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» при нахождении в железнодорожном тоннеле менее 15 минут предельно допустимая концентрация вредных газов равна С_к= 0, 05 г/м³.

Тогда получаем:

г.

Таким образом получаем

(г/м³).

Для того, чтобы к концу расчётного времени(15 мин=900 с) концентрация СО в тоннеле достигла ПДК, необходимо подать в тоннель свежий воздух в следующем объёме:

м³/c.

По требованиям СНиП скорость воздуха в тоннеле не должна превышать 6 м³/с

м/c < 6 м/c.

Следовательно, допустима продольная система вентиляции, при которой воздуховодом слу­жит тоннель, вдоль которого перемеща­ется воздух.

1.5. Обоснование конструктивного решения порталов.

Для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки переход от тоннеля к выемке осуществляется при помощи портала, который отводит воду с лобового откоса и служит архитектурным оформлением входа в тоннель.

В состав портала входит торцевая стена с входным отверстием, водоотводная канавка и первое кольцо обделки. Торцевая стена сваривается с первым кольцом обделки с помощью арматуры или обрезков прокатных профилей и опирается непосредственно на боковые откосы выемки, в которые заделывается на необходимую глубину.

Подошвы торцевой и боковых стен заглубляются относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания грунтов в их основании.

Вода, стекающая с лобового откоса, попадает в поперечную водоотводную канавку, расположенную за торцевой стеной, и отводится с уклоном 2‰ канавкой, устроенной по верху откосов выемки, или, в условиях теплого климата, в кюветы по чугунным трубам, заложенным за торцевой стеной.

Дно канавки располагается не ниже чем на 1, 5м от верха тоннельной обделки для обеспечения слоя породы, достаточной для амортизации возможных ударов камней, скатывающихся с лобового откоса. Расстояния от низа лобового откоса до портальной стены принимают не менее 1, 5 м, а парапет стены не менее чем на 0, 5 м выше канавки. Крутизну откоса предпортальной выемки назначают в зависимости от крепости грунта, при f = 1 - 1: 1, 5; при f = 4 - 1: 0, 3.

Конструкция западного портала на грунте с коэффициентом крепости f=4 представлен на чертеже, лист 1.

1.6. Проектирование тоннельных конструкций.

Выбор и технико-экономическое обоснование конструктивных решений обделок.

Конструкции тоннельных обделок должны удовлетворять следующим требованиям: эксплуатационным, технологическим, экономическим. Для выполнения этих условий обделки проектируются следующим образом.

В слабых породах, где горное давление воздействует конструкцию тоннеля со всех сторон, в том числе и снизу, очертание конструкций обделки должно приближаться к круговому. В породах, где появляется вертикальное и горизонтальное давление, свод и стены выполняются выпуклыми в сторону действия давления. В породах с вертикальным горным давлением, где грунт не оказывает влияния на стены, свод обделки выполняется криволинейным, а стены вертикальными. В слабых грунтах отступление от углов габарита может достигать 100-200 мм в связи с возможными осадками конструкции и особенностями технологии сооружения. Этот зазор называется строительным.

В устойчивых крепких грунтах отступление 5-10 мм, в слабых – 15-20 мм. Для всех случаев обделок материал - монолитный бетон B22.5.

На железных дорогах принят габарит " С": высота Н= 6250 мм, ширина В = 4900 мм. В нашем случае тоннель двухпутный, поэтому нужно придерживаться соответствующего габарита. Он шире стандартного на 4100 мм – расстояние между осями путей. В кривых габарит необходимо увеличивать, т.к. при движении по ним происходит вынос концов и середины вагона и наклон егоиз-за возвышения наружного рельса.

Конструктивное очертание и толщины обделок начально принимаем в соответствии с теорией М. М. Протодьяконова.

Для породы с прочностью f=1 принимается подковообразное очертание обделки с обратным сводом по трёхцентровой коробовой кривой (тип 3) =7800мм.

Для породы с прочностью f=4 принимаем очертание обделки без обратного свода и с вертикальными стенками, опирающимися на массивные пяты (тип1) =7350мм.

Для породы с прочностью f=8 в качестве обделки принимаем верхний свод, опёртый на породу, и набрызг-бетон толщиной 100мм как облицовку стен для предотвращения выветриваемости (тип 2) =7300мм.

Три типа обделок и дополнительный тип обделки тоннеля в кривой представлены на чертеже лист 1.

1.7. Дополнительные устройства в тоннеле.

В целях безопасности обслуживающего персонала в железнодорожном тоннеле предусматриваются ниши 200x200x100 см, располагающихся в шахматном порядке через 60 м. Для хранения ремонтного оборудования через каждые 300 м по обоим сторонам железнодорожного тоннеля вместо ниш сооружаются камеры длиной 6 м.

1.8. Определение несущей способности обделки

на участке с крепостью грунта f=8.

Исходные данные:

На участке с крепостью f=8 запроектирована верхний свод, опёртый на породу. Основные геометрические размеры: высота H=8, 87м, толщина свода принимается равной, ширина B=9, 6 м.

Марка бетона 300(класс В22.5), расчетное сопротивление: на растяжение – 9 кгс/см², на сжатие – 120 кгс/см².

Основные физико-механические характеристики горной породы: коэффициент прочности f=8, кажущийся угол внутреннего трения φ =80º, коэффициент упругого отпора к₀ =400 кгс/см ², объемная масса грунта γ =2, 5 т/м³.

Определение нормативных и расчетных нагрузок.

Величину горного давления в зависимости от степени трещиноватости массива и коэффициента крепости принимаем в соответствии с теорией сводообразования М.М. Протодьяконова.

Расчетная схема показана на рисунке 1.

Из рисунка видно, что

где В – пролет выработки;

h - высота выработки;

L - пролет свода естественного равновесия;

h₁ - высота свода;

H - глубина залегания выработки;

q_н - нормативное вертикальное горное давление;

P_н - нормативное горизонтальное горное давление.

Собственный вес обделки определим по формуле:

где G -вес сводчатой части обделки;

F_обд=4.96м² – площадь бетонной обделки.

Определим расчётные нагрузки посредством умножения нормативных на коэффициенты перегрузки:

Коэффициент упругого отпора в сводчатой части выработки:

;

Коэффициент упругого отпора под пятой:

;

к_о =400 – коэффициент удельного отпора.

Статический расчет обделки.

Статический расчет обделки выполняется на ЭВМ по методу Метрогипротранса

(программа ПК-6). Этот метод предназначен для расчета конструкции произвольного очертания, расчетную схему которой можно представить в виде плоской стержневой системы.

В основу расчетной схемы положены следующие допущения:

· Плавное очертание оси обделки заменяются вписанным стержневым многоугольником переменной жесткости.

· Распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах многоугольника усилиями.

· Сплошная грунтовая среда заменяется отдельными упругими опорами, расположенными в вершинах многоугольника, перпендикулярно наружной поверхности обделки.

· Силы трения, возникающие в пятах разомкнутой обделки, в расчетной схеме заменяются запретом перемещения узлов пяты по горизонтали

Проверка прочности обделки.

После определения внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) проверяют прочность бетонных сечений. Для этого вычисляют величину предельной нормальной силы N_П, которую может воспринять данное сечение, и сравнивают её с величиной нормативной силы N, полученной при статическом расчете для этого же сечения. При этом должно соблюдаться условие N_П > N.

Проверку прочности тоннельной обделки проводим для наиболее загруженных сечений4 и 1.

Стержень 4: бетонную обделку рассчитываем без учёта сопротивления растянутой зоны из предположения, что предельное состояние наступает в момент разрушения сжатой зоны бетона. Тогда продольная сила определяется по формуле:

где m - коэффициент условия работы (m=0, 9);

k - коэффициент, учитывающий вид бетона (k=1);

R_пр - расчетное сопротивление бетона сжатию (R_пр=900 тс/м² );

b - ширина сечения (b=1, 00 м);

h - высота сечения (м);

Производим проверку: N_п =207, 7 т > N =17, 89 т, условие выполняется, а значит прочность обделки обеспечена.

Стержень 1: бетонную обделку рассчитываем без учёта сопротивления растянутой зоны из предположения, что предельное состояние наступает в момент разрушения сжатой зоны бетона. Тогда продольная сила определяется по формуле:

где m - коэффициент условия работы (m=0, 9);

k - коэффициент, учитывающий вид бетона (k=1);

R_пр - расчетное сопротивление бетона сжатию (R_пр=900 тс/м² );

b - ширина сечения (b=1, 00 м);

h - высота сечения (м);

Производим проверку: N_п =121, 3 т > N =20, 48 т, условие выполняется, а значит прочность обделки обеспечена.

Эпюра моментов(т.м)

Эпюра нормальных сил(т)