Выбор расчетного кольца по длине тоннеля. Определение нагрузок.

Расчет конструкций обделок следует производить на наиболее невыгодное, но реальное сочетание нагрузок и воздействий, которые могут действовать одновременно при строительстве или эксплуатации сооружения. При этом следует рассматривать основные и особые сочетания нагрузок.

Основные сочетания состоят из постоянных нагрузок и воздействий (нагрузок от горного давления, наружного гидростатического давления, собственного веса конструкции и насыпного грунта, сохраняющихся усилий от предварительного обжатия обделки); длительно действующих временных нагрузок (нагрузок от морозного пучения грунта, от температурных деформаций, от усадки бетона и т. д.) и кратковременных нагрузок (от веса транспортного и монтажного оборудования, давления щитовых домкратов, нагнетания раствора за обделку и т. п.).

Особые сочетания состоят из постоянных нагрузок и воздействий, наиболее вероятных временных и одной из особых нагрузок (сейсмического или взрывного воздействия; нагрузок, вызванных неравномерными деформациями основания и т. п.).

Все нагрузки, входящие в состав основных и особых сочетаний, являются нормативными. В соответствии с действующими нормами статический расчет тоннельных обделок по первой группе предельных состояний (на прочность и устойчивость) производят на расчетные нагрузки, которые определяются умножением их нормативных значений на коэффициенты надежности по нагрузке (см. табл. 4.1).

Нагрузки от горного давления являются главным внешним силовым фактором. При расчете конструкций, работающих в режиме заданных нагрузок, величина нагрузки от горного давления определяется как вес грунта в объеме возможной зоны разрушения грунта в окрестности незакрепленной выработки и в значительной степени зависит от несущей способности вышележащих грунтов. При этом горное давление представляется в виде внешней вертикальной q и горизонтальной p нагрузок на конструкцию обделки. Эти нагрузки, в зависимости от глубины заложения тоннеля и свойств окружающих грунтов, определяют либо в соответствии с гипотезой сводообразования, либо от веса всей толщи грунтов над тоннелем.

Значение нормативных равномерно распределенных вертикальной q ^н и горизонтальной p ^н нагрузок от горного давления в условиях сводообразования для однородной толщи грунта определяют по следующим формулам:

; (4.1)

; (4.2)

При курсовом проектировании расчетные характеристики грунтов можно принимать в соответствии с табл. 1 Приложения.

Величина пролета L и высота свода обрушения h _в(рис. 4.1, а) в условиях сводообразования при глубине заложения тоннеля Н ₁ £ 45 м определяются по формулам:

; (4.3)

, (4.4)

Если над тоннелем толща однородного грунта (рис. 4.1, а, 1) менее трех высот свода обрушения (h £ 3 h _в), а выше залегает менее прочный грунт (рис. 4.1, а, 2), значение нормативной вертикальной нагрузки q ^н определяют по формуле:

(4.5)

где		–	нормативная вертикальная нагрузка, полученная по параметрам менее прочного грунта;
		–	нормативная вертикальная нагрузка для грунта, вмещающего тоннель;
	Z	–	расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее прочным грунтом или слабым грунтом, не обладающим способностью к сводообразованию;
	h в	–	высота свода обрушения для грунта, вмещающего тоннель.

Если глубина заложения тоннеля Н меньше двойной высоты свода обрушения (Н < 2 h _в) либо толща устойчивых грунтов над тоннелем h< 2 h _в и выше залегают грунты, не обладающие способностью к сводообразованию, а также при расположении тоннеля кругового очертания в слабых глинистых грунтах, в песках, илах и плывунах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, нормативную вертикальную нагрузку от горного давления принимают равной нагрузке от веса всей толщи грунтов над тоннелем (см. рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Схемы к определению горного давления:

а – по гипотезе сводообразования; б – от веса толщи грунтов

над тоннелем

Значения нормативных равномерно распределенных вертикальной q ^н и горизонтальной p ^н нагрузок от давления всей толщи грунтов над тоннелем определяют по следующим формулам:

; (4.6)

; (4.7)

Величину нормативной вертикальной нагрузки от горного давления для тоннелей, сооружаемых в глинистых грунтах на глубине более 45 м, принимают с учетом коэффициента K = Н ₁/45, где Н ₁ – глубина заложения тоннеля в метрах, считая от поверхности земли до низа тоннельной обделки (см. рис. 4.1, а). Кроме этого, при расположении тоннелей в глинистых грунтах, прочность которых уменьшается под давлением поступающих подземных вод, величину нормативной вертикальной нагрузки от горного давления следует увеличить в пределах 30 %.

Величину нормативной горизонтальной нагрузки на обделки кругового очертания, возводимые в глинистых грунтах текучей и пластичной консистенции, в водонасыщенных грунтах, а также в грунтах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, принимают не более 0, 75 от величины нормативной вертикальной нагрузки от веса всей толщи грунта над тоннелем.

Значения нормативных нагрузок на обделку тоннеля, расположенного в водонасыщенных слабосвязных грунтах, содержащих свободную воду, принимают обычно от совместного действия гидростатического давления воды и давления грунта во взвешенном состоянии, определяемого по формулам (4.6) и (4.7) с учетом взвешенности грунта в воде.

Объемный вес грунта с учетом взвешенности в воде:

, (4.8)

Нагрузки от гидростатического давления на конструкцию отнесены к числу постоянных, хотя они в различные периоды существования обделки могут изменяться от нулевого до максимального значения в зависимости от гарантированной герметизации обделки.

При полной герметизации обделки гидростатическое давление достигает максимальных значений, причем для обделок кругового очертания учет гидростатического давления улучшает условия их статической работы, поскольку создает в сечениях обделки значительную нормальную силу, передающуюся с небольшим эксцентриситетом. Поэтому при расположении обделки в водоносных грунтах конструкцию необходимо рассчитывать как на максимальное гидростатическое давление, так и на минимальное. Второй случай практически означает отсутствие гидростатического давления, что возможно при нарушении герметичности обделки.

Нагрузка от гидростатического давления действует по нормали к наружной поверхности обделки. Ее интенсивность зависит от расстояния точек контура обделки до уровня грунтовых вод h_w (см. рис. 4.1, б):

. (4.9)

При учете гидростатического давления горное давление следует определять с учетом веса грунта во взвешенном состоянии (см. формулу (4.8)).

При расчете обделок кругового очертания на основное сочетание нагрузок в эксплуатационной стадии нагрузку от собственного веса учитывают для монолитно-прессованных обделок и сборных блочных обделок без связей растяжения в стыках:

, (4.10)

Нагрузка от собственного веса принимается равномерно распределенной по пролету выработки и суммируется с расчетной нагрузкой от вертикального горного давления. Для сборных тюбинговых обделок со связями растяжения в стыках нагрузку от собственного веса учитывают только при расчете конструкции в монтажной стадии.