§ 36. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК (ч. 1)
Монолитные тоннельные обделки являются статически неопределимыми конструкциями, обычно обладающими значительной жесткостью. Поэтому их напряженное состояние сильно зависит от смещений пятовых сечений сводов, которые в связи с этим следует рассматривать как упруго заделанные в породу или стены.
Расчетную схему обделки выбирают в соответствии с характером конструкции и окружающих пород, а также в зависимости от условий работ, на всех стадиях производства которых обделка в целом или ее отдельные части должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью.
Свод, опирающийся на породу. Простейшей тоннельной обделкой является свод, опертый непосредственно на стены выработки (рис. 78). Подъем таких сводов, как правило, невелик по сравнению с величиной пролета.
В результате деформации под нагрузкой большая часть наружного контура свода выходит из контакта с упругой средой. Поэтому свод можно рассматривать как кривой брус с пятами, упруго заделанными в породу, т.е. имеющими возможность поворота и смещения по касательной к оси свода. Радиальные смещения пят исключаются вследствие наличия в пятовых сечениях значительных сил трения.
Свод, опирающийся на вертикальную стену. Если верхний свод подковообразной обделки, сооруженный в мягких породах, не переходит плавно в стены, а примыкает к ним под углом (рис. 79), точки его оси под действием распора смещаются в горизонтальном направлении в сторону породы и одновременно испытывают вертикальные смещения, обусловленные осадкой стен. В мягких породах осадка преобладает, суммарные перемещения точек свода оказываются направленными в сторону выработки и взаимодействие свода с упругой средой отсутствует.
Стены обделки, бетонируемые в штольнях (например, для опирания свода односводчатой станции метрополитена), обычно обладают большой жесткостью и могут рассматриваться как диски, деформациями которых можно пренебречь. Наличие в подошве значительных сил трения учитывается введением горизонтальных жестких опор (рис. 79, а). Под действием нагрузок стены оседают по вертикали и поворачиваются в сторону породы, вызывая с ее стороны отпор, изменяющийся по треугольнику. Упругость заделки пят свода определяется углом поворота стены и горизонтальным смещением ее верхней точки а.
В скальных породах, в которых обделка с гибкими стенами бетонируется под защитой контурной крепи в стальной передвижной опалубке, в основание стен к моменту замыкания свода передается лишь собственный вес G неокрепшей конструкции. После нагнетания обделка, набравшая проектную прочность, воспринимает горное давление в условиях, когда бетон заполняет неровности контура выработки, образованной взрыванием.
Если прочность породы на срез не уступает прочности бетона (для бетона марки 200 —16,8 кгс/см2), вертикальные реакции свода от горного давления воспринимаются сцеплением обделки со стенами выработки, на которых она как бы повисает. Поэтому осадка опорных точек свода от горного давления может быть принята равной нулю, горизонтальные смещения точек оси свода вызывают пропорциональный им упругий отпор и свод работает совместно с породой.
Для расчета обделки с вертикальными стенами, на свод которой действует отпор породы (см. рис. 82), используют вспомогательную схему (рис. 79, б) в виде свода, опирающегося на стены (в общем случае с эксцентриситетом ε). Вертикальное горное давление вызывает касательные напряжения τ равномерно распределенные по наружной поверхности стен, и соответствующую им распределенную моментную нагрузку m = τh/2, где h — толщина стены.
Стена представляет собой балку постоянной жесткости на упругом основании. Нижний конец балки может смещаться в горизонтальном направлении, так как силы трения в подошве возникают лишь от действия собственного веса обделки и сравнительно невелики.