Проектирование тоннелей

14.1 Требования настоящего раздела распространяются на проектирование тоннелей и тоннельных сооружений (далее «тоннелей») различного назначения, устраиваемых закрытым способом.

Проектирование тоннелей, устраиваемых открытым и полузакрытым способами, следует выполнять с учетом положений разделов 11 и 15 и п. 14.2.

14.2 При проектировании тоннелей помимо положений настоящего раздела следует руководствоваться указаниями СП 102.13330.2012, СП 122.13330.2012, СП 32-105-2004, СП 120.13330.2012 в зависимости от функционального назначения тоннеля.

14.3 Проектные решения должны обеспечивать прочность, устойчивость, пригодность к эксплуатации и долговечность конструктивных элементов тоннелей, устойчивость оснований, безопасность выполнения строительных работ, нормальные условия эксплуатации окружающей (расположенной над тоннелем) застройки и отсутствие вредных воздействий на геологическую и гидрогеологическую среду.

14.4 К геотехническим задачами проектирования тоннелей следует относить:

- выбор очертания поперечного сечения тоннеля и глубины его заложения;

- выбор способа проходки и устройства конструкций тоннеля;

- определение необходимости и конструктивных параметров временной крепи тоннеля;

- определение конструктивных параметров постоянной обделки тоннеля;

- оценку влияния строительства на окружающую среду и существующую застройку;

- выбор средств и разработка программы контроля и мониторинга.

14.5 Внутренние размеры поперечных сечений тоннелей и притоннельных сооружений должны определяться в зависимости от их функционального назначения. В большинстве случаев форма поперечного сечения тоннелей должна приниматься кругового или сводчатого очертания и определяться расчетом.

14.6 Материалы и тип обделки должны выбираться в соответствии с СП 102.13330.2012, СП 122.13330.2012, СП 120.13330.2012 в зависимости от функционального назначения тоннеля.

14.7 Выбор способа проходки тоннеля и горнопроходческого оборудования следует выполнять в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий по трассе тоннеля, их изменчивости, глубин заложения тоннеля, его поперечных размеров и формы, условий градостроительной и экологической ситуации, оценки рисков, а также на основе технико-экономического сопоставления вариантов.

П р и м е ч а н и е – В городских условиях для устройства тоннелей под застроенными территориями рекомендуется использовать механизированные щитовые комплексы с уравновешиванием давления в призабойной зоне с помощью гидравлического или грунтового пригруза.

14.8 Процесс проектирования должен основываться на результатах инженерно-геологических изысканий; выполнении расчетов; результатах экспериментальных работ; учете сопоставимого опыта строительства в схожих инженерно-геологических условиях; результатах натурных измерений и наблюдений в процессе проведения работ.

14.9 При проектировании тоннелей следует выполнять расчеты их конструкций и оснований до двум группам предельных состояний (ULS) и (SLS), рассматривая все возможные кратковременные и долговременные проектные ситуации и их сценарии как в период строительства, так и эксплуатации сооружения.

14.10 При проектировании должны быть рассмотрены как минимум следующие проектные ситуации и предельные состояния, соответствующие периоду строительства тоннеля:

- разрушение основания (вывал) при незакрепленной или недостаточно закрепленной площади в забое или своде тоннеля (GEO);

- поступление подземных вод в забое или своде тоннеля (HYD);

- всплытие тоннеля (UPL);

- разрушение, потеря устойчивости или недопустимые деформации временной крепи (EQU), (STR), (SLS);

- разрушение, потеря устойчивости или недопустимые деформации устраиваемой обделки или ее фрагмента (EQU), (STR), (SLS);

- недопустимые деформации грунтового массива, осадки поверхности или деформации окружающей застройки (SLS);

- недостаточное или избыточное давление пригруза в призабойной камере механизированного щитового комплекса (GEO), (SLS);

- недостаточное или избыточное давление щитовых домкратов (GEO), (SLS);

- недостаточное или избыточное давление нагнетания раствора за обделку (GEO), (SLS).

14.11 В проекте должны быть рассмотрены как минимум следующие проектные ситуации и предельные состояния, соответствующие периоду эксплуатации тоннеля:

- разрушение или потеря устойчивости обделки тоннеля (EQU), (STR);

- избыточные напряжения в элементах обделки тоннеля (STR), (SLS);

- чрезмерные деформации обделки тоннеля (SLS);

- потеря герметичности тоннеля (SLS), (HYD);

- потеря эксплуатационных качеств тоннеля (SLS);

- всплытие тоннеля (UPL);

- изменения гидрогеологических условий в результате строительства (SLS), (HYD);

- недопустимые деформации грунтового массива, осадки поверхности или деформации окружающей застройки (SLS);

- коррозия, вызванная агрессивной средой (SLS).

14.12 Расчетные модели, на основании которых следует выполнять проектирование, помимо общих требований раздела 8 должны учитывать:

- неоднородность геологического строения вдоль трассы протяженного сооружения;

- начальное напряженно-деформированное состояние грунтового массива;

- поровое давление в грунтовом массиве;

- нарушения структуры грунта в зависимости от способа работ;

- влияние способа работ на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива;

- пространственный характер задачи при сопряжении тоннельных конструкций;

- пространственное и временное чередование этапов производства работ;

- наличие или отсутствие условий симметрии;

- взаимное влияние рядом расположенных тоннелей;

- температурный режим в тоннеле при его эксплуатации.

14.13 При проектировании тоннелей на территориях с проявлениями опасных инженерно-геологических процессов следует в проекте предусматривать мероприятия по защите тоннельных конструкций от таких процессов.

П р и м е ч а н и я – 1. При проектировании тоннелей на территориях опасных и потенциально опасных в отношении проявления карстово-суффозионных процессов (для условий г. Москвы см. приложение Д) в качестве защитных мероприятий допускается предусматривать тампонаж карстующихся отложений.

2. При проектировании порталов тоннелей на территориях с оползневой опасностью (для условий г. Москвы см. приложение Е) в проекте следует предусматривать противооползневые сооружения или иные мероприятия, исключающие возможность активизации оползней.

14.14 Для расчетов устойчивости основания при незакрепленной площади в забое и/или своде тоннеля (GEO) допускается использовать методы теории предельного равновесия или методы численного моделирования, например, метод конечных элементов. Рекомендуется выполнять расчет на основании трехмерных моделей, учитывающих пространственность задачи.

При выполнении расчетов допускается принимать, что данная проектная ситуация является кратковременной.

П р и м е ч а н и е – Методами численного моделирования допускается также определять время, в течение которого часть неподкрепленной выработки может сохранять устойчивость.

14.15 При недостаточной устойчивости основания в забое и/или своде тоннеля допускается проектом предусматривать специальные методы работ, позволяющие повысить устойчивость грунтового массива, такие как: закрепление грунтов, армирование грунтов, водопонижение, замораживание грунтов. Проектирование специальных методов работ следует выполнять в соответствии с СП 120.13330.2012 и [9].

Для принятия решения о целесообразности применения специальных методов работ следует выполнить расчетную оценку влияния этих работ на окружающую среду и существующую застройку.

14.16 Вертикальное и горизонтальное давление на временную крепь в устойчивых или закрепленных грунтах рекомендуется определять с помощью численного моделирования, рассматривая кратковременные проектные ситуации.

В условиях, соответствующих возможности сводообразования в грунтовом массиве, допускается также определять вертикальное давление на временную крепь как равномерно распределенную нагрузку от веса свода обрушения.

П р и м е ч а н и е – Величины нагрузок на временную крепь при сводообразовании допускается определять как для постоянных обделок в соответствии с указаниями СП 102.13330.2012, СП 122.13330.2012, СП 120.13330.2012 с учетом коэффициента условий работы g_d=1, 0, соответствующего кратковременной проектной ситуации.

14.17 Расчет внутренних усилий, устойчивости и деформаций (EQU), (STR), (SLS) конструкций временной крепи следует выполнять теми же методами, что и постоянной обделки тоннеля (см. 14.20).

Проверку прочности сечений и узлов конструктивных элементов временной крепи следует выполнять согласно указаниям соответствующих сводов правил в зависимости от материала конструкций.

14.18 Расчет тоннеля на всплытие (UPL) и проверку возможности гидравлического разрушения основания (HYD) как для периода строительства, так и эксплуатации следует выполнять в соответствии с положениями раздела 16.

14.19 В конструкциях постоянных обделок тоннелей допускается предусматривать деформационные и температурно-усадочные швы.

Деформационные швы следует предусматривать, как правило, в местах резких изменений инженерно-геологических условий по трассе тоннеля.

Конструкция швов должна обеспечивать герметичность тоннеля.

14.20 Расчетные модели постоянных обделок следует разрабатывать с учетом проектного требования, что по всему контуру обделки должно обеспечиваться ее плотное примыкание к грунту.

14.21 Расчет внутренних усилий, устойчивости и деформаций (EQU), (STR), (SLS) конструкций постоянной обделки тоннеля рекомендуется выполнять с помощью численного моделирования с использованием методов, основанных на моделях сплошной среды. Нагрузки, передаваемые непосредственно на обделку, при использовании таких методов определяются в результате расчета взаимодействия обделки с грунтовым массивом. При необходимости допускается применять коэффициенты надежности модели.

В простых случаях допускается применять численные модели с заданной нагрузкой, основанные на положениях строительной механики. С этой целью следует выполнять расчеты с использованием контактных моделей стержневых конструкций на основании, описываемом коэффициентом упругого отпора.

14.22 При использовании в расчетах обделок тоннелей контактных моделей величины давления грунта на обделку следует определять в соответствии с указаниями СП 102.13330.2012, СП 122.13330.2012, СП 120.13330.2012 в зависимости от функционального назначения тоннеля.

Значения коэффициентов надежности по нагрузкам γ _f, используемые в расчетах по первой группе предельных состояний (ULS) приведены в приложении Ж.

14.23 Расчеты обделок тоннелей следует выполнять с учетом нелинейных деформационных свойств материалов конструкций. На начальных стадиях проектирования допускается определять усилия в элементах конструкций и их деформации на основании использования линейных зависимостей между напряжениями и деформациями.

14.24 Проверку прочности сечений обделки тоннеля следует выполнять согласно требованиям соответствующих сводов правил в зависимости от материала конструкций с учетом коэффициентов условий работы γ _d, указанных в СП 102.13330.2012, СП 122.13330.2012, СП 120.13330.2012.

14.25 Проектные решения тоннелей не должны оказывать недопустимого негативного влияния на здания и сооружения окружающей застройки. При разработке проекта следует выполнять геотехнический прогноз в соответствии с указаниями раздела 9.

При выполнении геотехнического прогноза численными методами допускается учитывать воздействие устройства тоннеля на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и существующих сооружений путем использования алгоритма, моделирующего «перебор грунта» при проходке. Под «перебором грунта» понимается объем грунта, удаленного при проходке, избыточный по отношению к объему в наружных габаритах обделки. Перебор грунта допускается задавать в процентах от объема в наружных габаритах обделки.

Расчетную величину перебора грунта допускается устанавливать на основании сопоставимого опыта и корректировать ее в процессе выполнения тоннелепроходческих работ, используя наблюдательный метод.

14.26 Гидрогеологические расчеты, включая прогноз изменений гидрогеологических условий, вызванных строительством тоннеля, следует выполнять согласно 16.1.

14.27 При устройстве тоннелей необходимо выполнение надзора за строительством и геотехнического мониторинга в соответствии с указаниями раздела 10.