Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рис. 257. Компенсационный стнк в [339]

в 1966 г. составили около 1 млн. марок — стоимость пары таких стыков-ком­ пенсаторов (рис. 257) в ценах 1963 г. составляет 2150 марок. Эти стыки-компен­ саторы, первоначально устанавливавшиеся через 45 м, а впоследствии через 180 м, обеспечивают возможность продольного смещения рельсов до 200 мм (принцип податливости). До сих пор еще не закончены исследования при экс­ периментальной укладке в районах горных разработок бесстыковых (сварных) рельсовых путей из-за опасности бокового выпучивания рельсового пути в лет­ нее время, когда к воздействию сдвижений земной поверхности добавляются температурные деформации.

Вопрос о том, не проще ли защитить железнодорожный путь от воздейст­ вия подработки, проложив его на эстакаде или в туннеле, обсуждается в насто­ ящее время в связи с проектом скоростной городской железной дороги Рейн — Рур, причем споры возникают в отношении тех участков железной дороги, которые должны пройти по насыпям или в выемках. Запрещение вести горные работы в пределах имеющей большую протяженность защитной зоны под трас­ сой проектируемой железной дороги может не только воспрепятствовать регио­ нальному перспективному планированию горных работ, но и привести к обра­ зованию вытянутой в плане возвышенности между примыкающими к трассе мульдами сдвижения, со всеми вытекающими из этого отрицательными послед­ ствиями для водного хозяйства района. Поэтому при проектировании железной дороги обязательно должны приниматься в расчет возможные последствия под­ работки сравниваемых вариантов длинных транспортных туннелей или эстакад

' решить следующие проблемы:

а) герметизация стыков между элементами туннеля, уложенными в грун­ товых водах;

б) трудность регулирования уклона путей в туннеле, обусловленная огра­ ниченным диапазоном возможного изменения высоты рельсов;

в) деформации обделки стенок туннеля, особенно в продольном направле­ нии, обусловленные горизонтальными деформациями грунта, достигающими

± 1 0 мм/м, и кривизной с радиусами, не превышающими ±100 м;

г) обеспечение устойчивости туннеля в отношении возможного среза на участках, проходящих через зоны тектонических нарушений или над ними, в случае возможных дискретных сдвижений горных пород (в районах перехода от несвязных пород к скальным породам возможен сдвиг до 2 см, а также обра­

конструкция туннеля в виде сварной трубы, выполненной из листов волнистой стали в виде шпунтовой стенки, которая, подобно гибкому шлангу и растяги­ вающимся мехам, следует за деформациями, обусловленными воздействием подработки, но в то же время является «малодеформирующейся» с точки зрения влияния на наземные объекты (одновременное применение принципов жестко­ сти и податливости). В качестве материала предлагалось использовать сталь­ ные листы с катодной защитой от окисления, в пользу которых говорит их вы­ сокая прочность, пластичность и хорошая свариваемость, что дает возмож­ ность обеспечить герметичность в отношении грунтовых вод и метана (при проведении туннеля через трещиноватые крепкие породы), а также легкость ремонта путем наварки листов. От применения прослойки скольжения между стенками туннеля и окружающими горными породами в этом предложении отказались, так как для этого пришлось бы найти такой материал для этой прослойки, который, с одной стороны, имел бы очень низкий коэффициент трения и, с другой стороны, не стекал бы в трещины в горных породах. Учиты­ вая значительную площадь стенок туннеля и его большую длину, эту задачу решить весьма трудно. Что касается связи между волнистой поверхностью трубы туннеля и горными породами, обусловленной неровностями этой поверх­ ности, то она может быть ослаблена путем заполнения впадин волнистой поверх­ ности трубы легко деформирующейся битуминозной смесью. Для защиты от грунтовых уступов в зонах тектонических нарушений было предложено на этих участках вести проходку туннеля увеличенной площадью сечения с уст­ ройством внешней предохранительной подушки. Однако в направлении, пер­ пендикулярном к оси туннеля, возможность начальной деформации и некото­ рого сужения профиля туннеля не исключается полностью.

Станции железной дороги, проектируемые как самостоятельные строитель­ ные сооружения, должны присоединяться к перегонным туннелям по принципу податливых герметических соединений, применяемых при прокладке трубопро­ водов. При сооружении станций, заглубленных в грунт, может быть приме­ нена сварка рельсов, поскольку на рельсовый путь через стенки туннеля, грун­ товое основание и балластный слой передается лишь часть деформаций растя­ жения и сжатия грунта, а возможность возникновения температурных напря­ жений почти полностью исключается [124]. Допустимые максимальные уклоны

Рис. 258.

Опорное устройство одного промежуточного устоя «Берлинского моста» в Дуйсбурге (ФРГ):

1 — подъемное приспособление; 2 — плита с отверстием; 3 — катковая опора; 4 — специальные шпоры; 5 — напра­ вляющий круглый канал и поршень; в — подкладки; 7 — г идравлическнй цилиндр

экспертов, для оценки надежности конструкции туннеля достаточно произ­ вести расчет деформаций, вызванных подработкой, по методу пластических предельных состояний, если кроме этого будут проведены исследования наи­

можно привести «Берлинский мост» в г. Дуйсбурге, состоящий из нескольких пролетов, частью металлических, а частью выполненных из предварительно напряженного железобетона [3961. Конструкцией промежуточных опор этого моста, имеющего общую длину 1824 м, предусмотрена возможность горизон­ тальных смещений пролетного строения в продольном направлении до ± 6 0 см, в поперечном направлении до ± 4 0 см, возможность угловых смещений в про­ дольном и поперечном направлениях соответственно на углы с тангенсами, равными от 0,013 до 0,005, а также возможность подъема до 80 см; при этом могущие перемещаться во всех направлениях точечные катковые опоры рас­ считаны на нагрузку до 1500 тс (рис. 258). На двух Катковых опорах, каждая из которых состоит из 11 катков диаметром 100 мм опирается плита с отвер­ стием для поршня, на которую устанавливается неопрено-каучуковая подушка диаметром 100 см и толщиной 9 см. На плиту опирается своей нижней сфери­ ческой опорной поверхностью шарнирно поворачивающийся поршень, под­ держивающий конструкцию мостового пролета. Для регулирования высоты можно применить кольцевые вкладыши, вставляемые в опору (для этого мосто­ вой пролет должен быть приподнят специальными домкратами), или же изме­ нить высоту вращением шпиндельных гаек диаметром 42 см с резьбой 400/12. Боковое смещение мостовых пролетов осуществляется посредством домкратов

Вызываемая оседанием земной поверхности неравномерная осадка опор моста изменяет условия опирания мостовых пролетов, приводя к заметным сме­ щениям элементов конструкции и к перераспределению напряжений в них. Необходимое усиление верхнего строения моста (для неразрезных мостов) может оказаться рентабельным лишь в том случае, если разности осадок опор не превышают 1/1000 длины пролета Z, т. е. не превышают 7 см при пролете 70 м или 15 см при пролете 150 м [59]. При разностях осадок, достигающих

Рис. 259.

Схема деформирования мостов в районах горных разработок:

а — мост разрезной конструкции, состоящий из отдельных независимых пролетов; б — мост неразрезной конструкции; 1 — исходный горизонт пути; 2 — устой моста; 3 — усиленные элементы

2/1000Z, верхнее строение моста должно быть усилено настолько, что оно станет чрезмерно жестким; в таких случаях мост разбивают на отдельные независи­ мые пролеты с опиранием на три или четыре точки, каждый из которых пред­ ставляет собой статически определимую балочную конструкцию (рис. 259). Хотя это и дает возможность воспринять воздействия сдвижения земной по­ верхности на несущие конструкции моста, однако отдельные пролеты прихо­ дится делать более усиленными, чем при неразрезном верхнем строении моста, так что мост получается более тяжелым и нуждается в более мощных опорах. Кроме того, недостатком такой конструкции является необходимость приме­ нения вдвое большего количества опорных приспособлений на мостовых быках, устройства переходных конструкций между шкафными стенками пролетных строений и возможность излома продольного профиля пути. Поэтому, если имеется возможность скомпенсировать разности осадок опор, превышающие 1/1000Z, мост статически неопределимой неразрезной конструкции будет эко­ номически более целесообразным, чем мост, состоящий из ряда отдельных независимых пролетов.

Неразрезное верхнее строение моста может быть выполнено как металличе­ ским, так и из предварительно напряженного железобетона. Предварительно­ напряженные железобетонные мосты коробчатой конструкции имеют несколько большую жесткость, чем металлические, но меньший момент инерции и тем самым недостаточное сопротивление изгибу, если в результате вызванного воздействием подработки прогиба в бетоне возникнут растягивающие напря­ жения, превышающие его прочность. В этом случае значительные добавочные растягивающие напряжения могут возникнуть в краевых частях поперечного сечения, где как раз нет напряженно-армированных конструктивных элементов. Возникшие в нарушенной трещинами растянутой зоне бетона добавочные на­ пряжения могут быть восприняты гибкой арматурой, нагруженной до 20 кН/см2 или до деформации, равной 1 мм/м. Этим обеспечивается распределение трещин, вызванных изгибом, на большое число тонких волосных трещин, которые после выравнивания моста вновь закрываются. В элементах металлических мостовых ферм напряжения с увеличением разностей осадок опор возрастают равномерно, без скачкообразного увеличения напряжений, свойственного бетону. Общий запас прочности до предела пропорциональности, позволяющий воспринимать дополнительные изгибающие моменты, для обоих материалов (стали и железобетона) примерно одинаков.

Правила защиты газо- и нефтепроводов определяются нормами, разрабо­ танными для энергетического хозяйства. В соответствии с предписанием Мини­ стерства экономики земли Северный Рейн-Вестфалия от 7 августа 1969 г. поставщик трубопроводов обязан указать величину и направление усилий, которые данный трубопровод может выдержать, не деформируясь. В Рурской области защита подземных трубопроводов может осуществляться одним 'из следующих способов: [239]: трубы укладываются на слой зернистого материала толщиной не менее 15 см, причем трубы заглубляются в этот материал до поло­ вины их высоты, а затем засыпаются слоем грунта, не содержащего камней, высотой не менее 40 см. В трубопроводы диаметром от 200 до 1500 мм встраива­ ются компенсаторы, рассчитанные на смещения +80 см и снабженные выводи­ мыми на земную поверхность для наблюдений и контроля металлическими проволочными марками. Чтобы тяжелые компенсаторы, упирающиеся своими выступающими частями в грунт, не могли мешать трубопроводу свободно де­ формироваться, рекомендуется применять оболочку из материала «стиропор». Для защиты от возможного проникновения в трубопровод грунтовых вод необходимо следить за тем, чтобы компенсаторы были надежно герметизиро­ ваны. Нефтепроводы, выполненные сварными по всей их длине (как, например, нефтепровод Вильгельмсгафен — Кёльн, диаметром 700 мм), должны на тех

навливаемых через 24 м в четырех точках по окружности трубы и позволяющих производить измерения с точностью ±0,01 мм. Трубопроводы, подвергшиеся сжатию, превышающему 0,85 мм/м (это соответствует половине предела теку­ чести, т. е. 360 2 = 180 Н/мм2), подлежат вскрытию, чтобы обеспечить воз­ можность разгрузки на длине от 300 до 600 м. Прибегать к вырезке части трубы приходится редко, но все же поворотные участки, дюкеры и отступы («утки») на участках деформаций сжатия могут быть повреждены. Против деформаций

достаточной изгибной жесткостью, применяются П-образные вставки-компен­ саторы. При выносе в сторону, равном 4 м, они могут компенсировать деформа­ ции до ± 9 см. От значительного искривления земной поверхности и образо­ вания на ней уступов трубопроводы можно защитить при помощи сферических шарнирных муфт (рис. 260).

Если принять допустимую деформацию трубопровода равной 0,61 мм/м

Если ожидаемая величина деформаций земной поверхности неизвестна, то рас­