Материал: PZ_Kol

3

Содержание

Введение 5

1.Исходные данные к проекту 6

2.Трасса тоннеля 6

2.1. Обоснование продольного профиля 6

2.2.Определение длины тоннеля 7

3.Проектирование тоннельных конструкций 8

3.1.Выбор и обоснование конструктивных решений обделок 9

3.2. Обоснование конструктивного решения порталов 11

3.3.Дополнительные устройства в тоннеле 13

4.Вентиляция тоннеля 14

5.Выбор и обоснование Расчетной схемы 17

6.Оценка несущей способности 19

6.1.Определение нормативных и расчетных нагрузок 20

6.2.расчет обделки методом метрогипротранса с использованием программного комплекса рк-6 23

6.3.Проверка прочности сечений обделки 32

библиографический список 35

Приложение 1 36

Введение 4

1. Исходные данные к проекту 5

2. Трасса тоннеля 5

2.1. Обоснование продольного профиля 5

2.2.Определение длины тоннеля 6

3. Проектирование тоннельных конструкций 6

3.1. Выбор и обоснование конструктивных решений обделок 6

3.2. Обоснование конструктивного решения порталов 7

3.3. Дополнительные устройства в тоннеле 8

4. Вентиляция тоннеля 8

5. Выбор и обоснование Расчетной схемы 11

6. Оценка несущей способности 13

6.1. Определение нормативных и расчетных нагрузок 13

6.2. расчет обделки методом метрогипротранса с использованием программного комплекса рк-6 14

6.3. Проверка прочности сечений обделки 20

библиографический список 22

Приложение 1 23

Введение

Тоннель – это протяженное подземное (подводное) искусственное сооружение, предназначенное для пропуска транспорта, людей, жидкостей, воздуха и различных коммуникаций.

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 3.01.01-85. Проекты предусматривают механизацию основных наиболее трудоемких строительно-монтажных работ и содержат планы ликвидации возможных аварий.

1. Исходные данные к проекту

В данном курсовом проекте разрабатывается проект однопутного железнодорожного тоннеля, сооружаемого горным и щитовым способами. В состав проекта входит проектирование продольного профиля и плана трассы, разработка конструкций обделок для горного и щитового способа в заданных инженерно-геологических условиях и выполнение расчета конструкций. Поведенные в работе расчеты выполнены в соответствии с указаниями СП 122.13330.2012 «Тоннели железнодорожные и автодорожные».

Основные физико-механические свойства грунтов, составляющих горный массив, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тоннель железнодорожный однопутный;

Руководящий уклон – 15 ‰ ;

Тип тяги - смешанный;

Контактная сеть – с несущим тросом.

2. Трасса тоннеля

2.1. 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 располагать тоннели на прямых участках пути, так как тоннели, расположенные на кривых, имеют существенные недостатки. К ним относятся: 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 ряде случаев расположение тоннелей на кривых является неизбежным.

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.

Максимальный допустимый уклон в тоннеле определяется как:

i_т = m · i_р – i_экв

где i_р- руководящий уклон;

i_экв- уклон, эквивалентный сопротивлению движения на кривой; в курсовом проекте кривых нет, поэтому он равен 0. В нашем случае:

i_т = m · i_р – i_экв = 0,85·15=12,7 ‰

Принимаем уклон на подходе к тоннелю i_т=12 ‰;

Уклоны в тоннеле принимаем равными 13, 4, 4, и 12 ‰;

Алгебраическая разность – 8 ‰;

Минимальная длина площадки с уклоном 3‰ должна быть 300 м.

2.2.Определение длины тоннеля

Окончательная длина тоннеля определяется из места нахождения порталов. Она определяется исходя из равенства стоимости 1 п.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 Hmax=10-15 метров, а в грунтах с коэффициентом крепости f>3 составляет Hmax=15-25 метров.

С учётом всех этих требований северный портал тоннеля устраиваем на пикете ПК664+00 а южный портал - на пикете ПК676+50. Полная длина тоннеля составляет Lт=1250 метров.

Продольный профиль представлен в Приложении 1.

3. Проектирование тоннельных конструкций

   1. Выбор и обоснование конструктивных решений обделок

1) Горный способ

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

В крепких скальных грунтах, оказывающих лишь вертикальное горное давление, стены могут быть сделаны вертикальными с наибольшим приближением к контуру габарита.

В породах, где появляется вертикальное и горизонтальное давление, свод и стены выполняются выпуклыми в сторону действия давления.

В устойчивых крепких грунтах отступление 5-10 мм, в слабых - 10-15 мм. Для всех случаев обделок материал - монолитный бетон В25.

На железных дорогах принят габарит "С": высота Н= 6400 мм, ширина В = 4900 мм.

2) Щитовой способ

Тоннели в слабых и мягких грунтах, сооружаемые щитовым способом, как правило проектируют кругового очертания, обеспечивающего наиболее целесообразную статическую работу конструкции на всестороннее давление.

Конструкция железобетонной обделки состоит из блоков. Число элементов в обделках из железобетонных блоков зависит от диаметра кольца и определяется массой элемента, которая не должна превышать 2,5т и длиной дуги по наружной стороне не более 2-3м.

Все типы обделок представлены на чертеже Приложение 1.

2. Обоснование конструктивного решения порталов

Переход от тоннеля в предпортальной выемке осуществляется при помощи портала для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель. Порталы тоннелей устраивают в зависимости от состояния грунтов на склонах горного массива и подходов к тоннелю врезными или наклонными с торцовой подпорной стеной либо выносными с искусственной засыпкой для уположения лобового откоса в случае неустойчивых склонов. При расположении торцовой стены под углом к оси тоннеля устраивают ступенчатый портал. Кроме торцовой стены, в состав портала входят водоотводная канава и первое кольцо обделки, в наибольшей степени подвергающееся выветриванию и иногда облицовываемое кладкой из естественного камня. Для устройства портала выполняют срезку и укрепление лобового откоса.

Торцовая стена связывается с первым кольцом обделки с помощью арматуры или отрезков прокатных профилей и опи­рается на боковые откосы выемки, в которые заделывается на необходимую глубину. В недостаточно ус­тойчивых грунтах торцовая стена может опираться на продольные подпорные стены, поддерживающие откосы предпортальной выемки. Такое решение об­легчает статическую работу торцовой стены и одновременно способствует уменьшению объема предпортальной вы­емки. Подошвы торцовой и боковых пор­тальных стен заглубляют относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания в их основании.

Наибольшей опасности повреждения от сейсмических воздействий подвер­гаются входные участки тоннеля, выполняемые поэтому из железобетона, если расчетная сейсмичность более 7 бал­лов. К ним относятся торцовая стена портала и тоннельная обделка от входа до глубины заложения шелыги свода, меньшей трех максимальных попереч­ных размеров выработки. Предпортальные подпорные стены сле­дует разделять по длине сквозными вер­тикальными швами на секции протяже­нием не более 15 м, а в районах сейсмич­ности 8 и 9 баллов не более 10 м, распо­лагая подошвы каждой секции на одно­родном по сжимаемости грунте. Откосы и дно канав защищают от раз­мыва и просачивания воды мощением или бетонным покрытием. Дно канавы располагают не ниже чем на расстоянии 1,5 м от верха тоннельной обделки для обеспечения слоя породы, достаточного для амортизации возможных ударов кам­ней, скатывающихся с лобового откоса. Ввиду возможности падения камней с лобового откоса и для предотвращения попадания их на пути или проезжую часть дороги расстояние от низа лобо­вого откоса до портальной стены принимают не менее 1,5 м, а парапет стены — не менее чем на 1 м выше верха канавы.

3. Дополнительные устройства в тоннеле

Камеры и ниши

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 400х280х250.

Верхнее строение пути

Конструкция верхнего строения пути должна обеспечивать возможность механизированного ремонта и содержания пути.

Балластная конструкция верхнего строения пути должна быть выполнена на щебеночном балласте, слой которого под шпалой в подрельсовых зонах должен иметь толщину не менее 0,35м.

В курсовом проекте используется тип рельса Р65.

Дренажные и водоотводные устройства

В тоннелях отвод воды от промывки тоннелей и пожаротушения, случайных протечек через обделку следует осуществлять по закрытым лоткам или коллекторам дренажных устройств.

Вода к лоткам стекает по поверхности бетонного заполнения, имеющей уклон 0,02.

4. 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, 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;

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=0,5.

При запроектированном продольном профиле имеем 2 участка движения от А до Б:

На подъём: i=4; l₁=950 м, k₂=0,2 кг/c=200 г/с;

На спуск: i=4; l₂=300 м, k₁=0,01 кг/c=10 г/с;

.

;

5. Выбор и обоснование Расчетной схемы

Исходные данные: На участке с крепостью f=4 обделка подковообразного очертания с плоским лотком. Основные геометрические размеры: высота H=9,08 м, толщина свода меняется от 0,4 до 1,24 м, ширина B=7,23 м. Класс бетона В25. Основные физико-механические характеристики горной породы: коэффициент прочности f=4, кажущийся угол внутреннего трения φ=65º, объемная масса грунта γ=2,8 т/м³, модуль упругости E=3 060 000 т/м². Расчетная схема представлена на рис.1.

Рис. 1 Расчетная схема обделки

6. Оценка несущей способности

   1. Определение нормативных и расчетных нагрузок

Величину горного давления в зависимости от степени трещиноватости массива и коэффициента крепости рекомендуется принимать от массы грунта в объеме свода обрушения в соответствии с гипотезой М.М. Протодьяконова (см. рис. 2);

Рис. 2. Схема нормативных и расчетных нагрузок.

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.

Тогда справедливы следующие формулы:

Собственный вес обделки определится по формуле:

Где G - вес сводчатой части обделки

В итоге принимаем:

1,1*q^н*1,6+1,2*q^св=1,1*3,95*1,6+1,2*2,48 = 9,93 т/м³

p^н *0,8= 1,1*0,8*0,8 = 0,70 т/м³

Коэффициент упругого отпора:

2. Расчет обделки методом метрогипротранса с использованием программного комплекса рк-6

Статический расчет обделки выполняется на ЭВМ по методу Метрогипротранса (программа РК-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:

А) Плавное очертание оси обделки заменяются вписанным стержневым многоугольником переменной жесткости.

Б) Распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах многоугольника усилиями.

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

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