Способ увеличения продольной жесткости подземного сооружения из сборных элементов

Способ увеличения продольной жесткости подземного сооружения из сборных элементов

Реферат

 

Изобретение относится к строительству и реконструкции подземных и подводных сооружений, например транспортных тоннелей, пересекающих плывунные и водные преграды. Изобретение направлено на активное противодействие развитию аварийных деформаций тоннельной обделки из сборных элементов на участке пересечения плывунных пород и водных преград, а также снижение влияния эксплуатационных вибрационных нагрузок на тиксотропное разжижение плывуна. Способ включает устройство упоров для натяжения вант-тросов, монтаж устройства для натяжения, натяжение вант-тросов из сборной обделки на участке пересечения плывунных пород и водных преград из тоннеля удаляют элементы путевого хозяйства и производят сплошную гидроизоляцию стыков, после чего внутри тоннельного сооружения вне пределов габарита приближения строений укладывают вант-тросы, которые размещают в жестко зафиксированных к обделке в радиальном направлении каналах. Упоры для натяжения вант-тросов выполняют в виде железобетонных обойм по очертанию внутреннего контура тоннеля с жесткой конструктивной связью с элементами обделки в местах выхода тоннеля в устойчивые породы. Непосредственно за пределами упорных обойм сооружают натяжную камеру, между ней и торцевой поверхностью обоймы в обделке устраивают деформационные швы, ослабляя продольные связи по ее периметру. Деформационные швы и чеканочные канавки в радиальном направлении заполняют водонепроницаемым материалом. Затем стягивают в продольном направлении с эксцентриситетом кольца обделки. Режим распределения усилий натяжения и их изменение определяют по результатам инженерного мониторинга. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к подземным и подводным транспортным сооружениям, например тоннелям, пересекающим плывунные и водные преграды, и может быть использовано при их строительстве, эксплуатации и реконструкции в случае необходимости увеличения продольной изгибной жесткости.

Известен способ устройства конструкции из системы отдельных предварительно напряженных железобетонных элементов, внутри которых расположены каналы для натяжения арматуры, заанкеренной на торцах этих элементов, при этом принцип натяжения заложен уже при их проектировании и изготовлении как неотъемлемая составная часть (1).

Способ предназначен для восприятия значительных растягивающих напряжений, возникающих в бетонных элементах от нагрузки, и не предусматривает управления изгибной жесткостью конструкции, а также исправления положения при переходе ее в аварийное состояние. Таким образом, главным недостатком является невозможность и неочевидность его применения в принципе при реконструкции тоннеля из сборной обделки, получившего продольный изгиб.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ усиления вертикальной шахты для выхода на дно водоема при помощи гибких растяжек (2).

Недостатками указанного способа являются невозможность создания преднапряженного состояния в отдельном фрагменте общей конструкции и расположения внутри сооружения растяжек и упоров, отсутствие устройств для регулирования усилий натяжения с целью управления сооружением в эксплуатационный период и др.

Ограждающей конструкцией подземного сооружения является обделка, воспринимающая давление вмещающего грунтового массива по ее контуру в поперечном направлении (плоская задача) и не рассчитываемая на продольный изгибающий момент. При наличии гидростатического давления обделка выполняется, как правило, сборной из чугунных тюбингов, в которых ни устройство каналов, ни стягивание самих колец обделки в продольном направлении не применяется.

Однако практика эксплуатации транспортных тоннелей в плывунах показала в ряде случаев, что происходит не предусмотренный проектом продольный изгиб тоннеля и систематическое нарушение водонепроницаемости обделки через чеканочные швы, болтовые соединения, пробки для нагнетания. Иногда нарушение водонепроницаемости принимает аварийный характер (Московский и С-Петербургский метрополитены), выражающийся в выносе плывунных пород в больших количествах во внутри тоннельное пространство (фиг. 1).

Наблюдения также показали, что текущий ремонт известными способами имеет ограниченный во времени ресурс, а эксплуатация тоннелей без принятия радикальных мер, устраняющих причины обводненности, может привести к тяжелым катастрофическим последствиям.

Одним из обстоятельств, способствующим деформациям тоннельной обделки, является неравномерное по контуру изменение свойств вмещающего массива от динамического воздействия подвижного состава, выражающееся в тиксотропном разжижении плывунной среды, максимального в нижнем контуре тоннеля (лотке). В результате взаимодействия обделки с вмещающим грунтовым массивом появляется вектор неуравновешенной нагрузки, который и вызывает прогиб (положительной кривизны) тоннельной "трубы" с возникновением дополнительных напряжений в болтовых соединениях лотковой части. При этом болтовые связи вступают в работу и оказываются нагруженными крайне неравномерно: наибольшая нагрузка приходится примерно на 20% соединений, расположенных в лотковой части тоннеля как наиболее удаленных от нейтральной оси продольного изгиба. Это приводит к раскрытию радиальных швов обделки и разгерметизации, а при дальнейшем возрастании изгибающего момента - разрушению болтовых соединений элементов обделки.

Задачей изобретения является активное противодействие развитию аварийных деформаций тоннеля из сборной обделки на участке пресечения плывунных пород и водных преград, а также снижение влияния эксплуатационных вибрационных нагрузок на тиксотропное разжижение плывуна.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе увеличения продольной жесткости тоннеля из сборных элементов, включающем устройство упоров для натяжения винт-тросов, монтаж устройства для натяжения, натяжение вант-тросов, из сборной обделки на участке пересечения плывунных пород и водных преград из тоннеля удаляют элементы путевого хозяйства и производят сплошную гидроизоляцию стыков, после чего внутри тоннельного сооружения вне пределов габарита приближения строений укладывают вант-тросы, которые размещают в жестко зафиксированных к обделке в радиальном направлении каналах, при этом упоры для натяжения вант-тросов выполняют в виде железобетонных обойм по очертанию внутреннего контура тоннеля с жесткой конструктивной связью с элементами обделки в местах выхода сооружения в устойчивые породы, непосредственно за пределами упорных обойм, сооружают натяжную камеру, между камерой и торцевой поверхностью обоймы в обделке устраивают деформационные швы путем ослабления продольных связей по ее периметру, деформационные швы и чеканочные канавки в радиальном направлении заполняют эластичным водонепроницаемым материалом, после чего производят стягивание в продольном направлении с эксцентриситетом колец обделки, при этом управление напряженно-деформированным состоянием обделки осуществляют изменяющимся усилием, причем режим распределения усилий натяжения и их изменение во времени определяют по результатам инженерного мониторинга. Может быть произведено улучшение физико-механических свойств грунтового массива. На аварийном участке может быть выполнено усиление сжатой зоны тюбинговой обделки. На участке примыкания натяжных обойм к сооружению в устойчивых породах могут производить усиление элементов поперечных конструктивных связей.

Решение задачи достигается созданием постоянного по длине аварийного участка изгибающего момента, препятствующего увеличению продольного изгиба тоннеля, системой расположенных внутри сооружения вне пределов габарита приближения строений стягиваемых вант-тросов с заданным эксцентриситетом и передачей реакций от натяжения вант-тросов на обделку через упорные обоймы на концах этого участка с регулируемой величиной постоянного (по длине) изгибающего момента за счет управления натяжением вант-тросов по результатам инженерного мониторинга. Кроме того, внецентренное сжатие создаст предпосылки для изменения схемы тиксотропного разжижения плывуна по контуру тоннеля, выражающейся в увеличении доли вибрационных воздействий на плывунный массив в замковой части.

На фиг. 1 изображен фактический профиль тоннеля, пересекающего плывун (1Ф) и проектное положение тоннеля (1п); на фиг. 2 место "А" на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - упрочнение продольной жесткости тоннеля согласно изобретению.

На чертежах: 1 - тоннель; 2 - обделка из чугунных тюбингов; 3 - плывун; 4 - рельсовые пути; 5 - путевой бетон; 6 - стыки элементов обделки; 7 - габарит приближения строений для тоннеля; 8 - вант-тросы в лотковой части тоннеля; 9 - каналы для размещения вант-тросов; 10 - упорная обойма; 11 - устойчивые породы; 12 - натяжная камера; 13 - деформационный шов; 14 - усилие обжатия обделки от давления P при натяжении вант-тросов; 15 - вант-тросы в замковой части; 16 - область вмещающего массива в пределах упорной обоймы, требующая возможного упрочнения.

Способ осуществляют следующим образом (фиг. 2, 3).

Удаляют из тоннеля 1 с ограждением из сборных элементов 2, например из чугунных тюбингов, пересекающего плывун 3 известными способами имеющуюся воду. При необходимости демонтируют рельсовые пути 4, после чего разбивают и удаляют путевой бетон 5. Производят сплошную гидроизоляцию стыков, например, герметиком с холодной вулканизацией типа У-30М.

После этого вне пределов габарита приближения строений 7 укладывают нити вант-тросов 8, как правило, в лотковой части тоннеля в каналы 9 (составные) с жесткой фиксацией положения последних в поперечном направлении тоннеля к тюбингам обделки, т.е. с заданным эксцентриситетом и заполняют их смазкой.

Устраивают упорные обоймы 10 в местах выхода тоннеля в устойчивые породы 11. Непосредственно за пределами обоймы сооружают натяжную камеру 12, например, путем локального уширения тоннеля в пределах нескольких колец обделки. С внешних сторон упорных обойм устраивают деформационные швы 13. После этого производят укладку путевого бетона с устройством поперечных деформационных швов в плоскости каждого стыка. Выполняют натяжение вант-тросов усилием P 14, постоянным по длине, которое в дальнейшем по результатам инженерного мониторинга в процессе эксплуатации корректируют (изменяют). Производят монтаж рельсовых путей коммуникаций.

Последовательность устройства натяжной камеры и двух упорных обойм может быть и иной.

При необходимости управления осадками тоннеля в вертикальной плоскости как при положительной, так и отрицательной кривизне оси тоннеля резервируют размещение вант-тросов в замковой части тоннеля для передачи изгибающего момента на обделку с эксцентриситетом другой полярности по отношению к основным вант-тросам 15.

Для передачи усилий сжатия на все поперечное сечение обделки в пределах нескольких колец по очертанию тоннеля (круговое и др.) за пределами габарита приближения строений 7 устраивают упоры в виде железобетонных обойм 10 с жесткой связью их с тюбингами в одно целое. Обоймы располагают на концах реконструируемого участка в местах выходов тоннеля в устойчивые породы 11. Длина обойм определяется из условия расчетной передачи усилий от натяжения вант-тросов на обделку в продольном направлении.

Н. Д. С. системы, стянутой вант-тросами, определяется расчетом и при необходимости по условию прочности выполняется усиление сжатой зоны (как правило, верхней) тюбинговой обделки, например, железобетонной обоймы в пределах габарита приближения строений.

При натяжении вант-тросов на участках колец, образующих обоймы, следует считаться с возможностью появления опорных реакций. Определение их величины, обеспечение прочности и герметичности деформационных швов выполняются на основе результатов решения задачи взаимодействия стянутой вант-тросами обделки с вмещающим массивом. При необходимости производят их локальное укрепление.

Натяжную камеру 12 сооружают для размещения домкратной станции и установки домкратов по оси вант-тросов с внешних по отношению к аварийному участку сторон упорных обойм 10. При невозможности установки соосно домкратов с вант-тросами устраивают направляющие. Для локализации воздействия вантов на стыке обоймы с натяжной камерой в области устойчивых пород 11 устраивают деформационные швы 13 путем ослабления продольных связей элементов обделки 2. Они исключат передачу усилий от натяжения на смежные со стягиваемым участки тоннеля.

Особенность н. д. с. обделки тоннеля в плывуне связана с наличием продольных деформаций в радиальных стыках обделки, которым не отвечают нормативные способы герметизации. Предлагаемый способ реконструкции предусматривает герметизацию швов обделки герметиком с холодной вулканизацией типа У-30М с сохранением сплошности и адгезии при относительном удлинении до 160%.

Обязательным элементом использования вантового способа является инженерный мониторинг. На основе анализа его результатов производится управление напряженно-деформированным состоянием тоннельной обделки. В зависимости от взаимодействия тоннеля с вмещающим грунтовым массивом вносится корректировка в натяжение вантов (увеличение или ослабление).

Перед вступлением в работу вант-тросов выполняют комплекс строительно-монтажных работ по обеспечению передачи продольных усилий по всей торцевой поверхности радиальных стыков тоннельной обделки.

Эффективность применения предлагаемого способа для стабилизации продольных деформаций тоннеля очевидна по результатам технико-экономического анализа. Технические параметры включают ориентацию способа на использование существующей конструкции обделки с ограниченным объемом новых строительно-монтажных работ (прокладка вантовых тросов и их фиксацию, устройство одной натяжной камеры, сооружение двух обойм и двух деформационных швов, организация инженерного мониторинга в период строительства и эксплуатации тоннеля).

Сравнение стоимостных показателей с другими способами реконструкции (прокладка нового тоннеля, сооружение внутренней сплошной обоймы по трассе тоннеля в пределах участка пересечения плывуна и др.) показывает уменьшение затрат не менее, чем в три раза.

Область применения способа не ограничивается указанными подземными сооружениями. Она может быть распространена и на иные объекты, к которым предъявляются высокие требования в отношении контроля и управления продольной жесткостью, например в летательных аппаратах (при монтаже и эксплуатации, в т. ч. орбитальных станций, состоящих из различных модулей), использование вантового способа обеспечит требуемое распределение усилий по сечению элементов и управление этими усилиями, что создает удобства для интегрального контроля за н.д.с. контролируемой конструкции.

Литература: 1. К.В.Сахновский "Железобетонные конструкции". М., Госстройиздат, 1960, с. 275 - 299, 593 - 642.

2. А.А.Воеводин "Предварительно напряженные системы элементов конструкций", М., Стройиздат, 1969, с. 103.

Формула изобретения

1. Способ увеличения продольной жесткости тоннеля из сборных элементов, включающий устройство упоров для натяжения вант-тросов, монтаж устройства для натяжения, натяжение вант-тросов, отличающийся тем, что для активного противодействия развитию аварийных деформаций тоннеля из сборной обделки на участке пересечения плывунных пород и водных преград из тоннеля удаляют элементы путевого хозяйства и производят сплошную гидроизоляцию стыков, после чего внутри тоннельного сооружения вне пределов габарита приближения строений укладывают вант-тросы, которые размещают в жестко зафиксированных к обделке в радиальном направлении каналах, при этом упоры для натяжения вант-тросов выполняют в виде железобетонных обойм по очертанию внутреннего контура тоннеля с жесткой конструктивной связью с элементами обделки в местах выхода тоннеля в устойчивые породы, непосредственно за пределами упорных обойм сооружают натяжную камеру, между камерой и торцевой поверхностью обоймы в обделке устраивают деформационные швы путем ослабления продольных связей по ее периметру, деформационные швы и чеканочные канавки в радиальном направлении заполняют эластичным водонепроницаемым материалом, после этого производят стягивание в продольном направлении с эксцентриситетом колец обделки, при этом управление напряженно-деформированным состоянием обделки осуществляют изменяющимся усилием, причем режим распределений усилий натяжения и их изменение во времени определяют по результатам инженерного мониторинга.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для предотвращения сдвиговых деформаций при внецентренном сжатии на участках примыкания упорных обойм к тоннельной обделке производят улучшение физико-механических свойств грунтового массива.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на аварийном участке выполняют усиление сжатой зоны тюбинговой обделки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на участке примыкания натяжных обойм к тоннелю в устойчивых породах производят усиление элементов поперечных конструктивных связей обделки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4