Глава 19

РАСЧЕТ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ

§ 77. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК

Основные положения об определении нагрузок на тоннельные обделки были изложены в § 34.

В случае обделок кругового очертания, часто расположенных на небольшой глубине, к основным сочетаниям нагрузок следует относить дополнительно давление от вышерасположенных зданий и наземного транспорта (см. § 124), а также, если тоннель проходит через толщу неустойчивых водоносных пород, вес подвижного состава, под действием которого обделка работает в продольном направлении как балка кольцевого сечения на упругом основании.

Горное давление. Нагрузку от горного давления определяют в соответствии с указаниями СНиП II-Д.3-68. При этом возможны следующие характерные случаи.

I случай. Тоннель наружным диаметром 5,5—6 м, низ которого расположен на глубине 45—50 м от поверхности земли (рис. 259).

А. В однородных породах, толщина которых над тоннелем z > D, нормативную вертикальную нагрузку q^н от горного давления определяют по табл. 23.

При заложении тоннеля в глинистых грунтах на глубине H > 45 м нагрузку умножают на коэффициент H/45, а при наличии притока в выработку подземных вод — дополнительно на коэффициент 1,3.

Таблица 23

Нормативные вертикальные нагрузки q^н на обделки тоннелей диаметром 5,5—6 м от горного давления (СНиП III-Д.3-68)

Наименование пород в кровле и сечении выработки	qн, тс/м2	Коэффициент перегрузки nq
Скальные породы: А. Известняк, доломит, мергель и песчаник средней крепости, аргиллит, алевролиты крепкие (с предельным сопротивлением сжатию в водонасыщенном состоянии 250—400 кгс/см2):    слабо трещиноватые    трещиноватые    сильно трещиноватые	4 6 9	1,7 1,7 1,6
Б. Аргиллит и алевролит средней крепости, мергель глинистый, известняк, доломит и песчаник слабые (с предельным сопротивлением сжатию в водонасыщенном состоянии 80—250 кгс/см2):    слабо трещиноватые    трещиноватые    сильно трещиноватые    раздробленные	6 8 10 12	1,7 1,7 1,6 1,6
Глинистые грунты (твердой и полутвердой консистенции):    верхнекаменноугольные мергелистые    нижнекембрийские, верхнекаменноугольные    спондиловые    апшеронские    юрские	13 16 20 23 26	1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Пески плотные, маловажные	15	1,3

Б. Если z < D, а выше залегает более слабая порода (q^н_z > q^н₀),

где q^н₀ и q^н_z — табличные значения нормативных нагрузок соответственно для породы, в которой залегает тоннель, и для вышерасположенной более слабой породы.

При q^н_z < q^н₀ до принимают q^н_z = q^н₀.

В глинах учитывают дополнительно выше упомянутые коэффициенты H/45 и 1,3.

В обоих случаях нормативную горизонтальную нагрузку от горного давления определяют по формуле

где φ^н — нормативное значение угла внутреннего трения.

Расчетные равномерно распределенные нагрузки на обделку равны:

где n_q — коэффициент перегрузки (см. табл. 24).

II случай. Верх тоннеля наружным диаметром D > 6 м расположен в однородной породе на глубине H ниже поверхности земли или низа пласта слабых пород (рис. 260), обеспечивающей образование несущего свода (H > 2h₁).

Высота свода давления согласно формуле (10) равна h₁ = B/2f, где ширина нарушенной зоны

В этом случае

Боковое горное давление определяют на уровне горизонтального диаметра обделки:

Расчетные равномерно распределенные нагрузки на обделку равны:

III случай. При неглубоком заложении и невозможности сводообразования (Н < 2h₁) нормативную вертикальную нагрузку от горного давления определяют от полного веса пород, лежащих над тоннелем (рис. 261):

q_ω — давление воды на верхнюю поверхность водоупорного пласта, отделяющего выработку от вышерасположенного водоема или слоя водонасыщенных пород (рис. 261, а). Если водоупор над тоннелем отсутствует (рис. 261, б), то

Объемный вес пород с открытыми порами (например, песка) с учетом взвешивания в воде определяют по формуле (44) или по формуле вида

где γ_cyx — объемный, вес сухой породы; ε — коэффициент пористости породы.

Для пород с замкнутыми порами (например, трещиноватая скала)

При неглубоком заложении тоннеля нормативное горизонтальное давление существенно изменяется по высоте обделки.

В сечении, расположенном на расстоянии у от верха обделки,

Расчетные распределенные нагрузки на обделку:

Собственный вес обделки. Если собственный вес обделки, взятый с коэффициентом перегрузки 1,1, не превосходит 5 % расчетного вертикального горного давления, им можно обоснованно пренебречь.

В противном случае вес верхней половины кольца распределяется равномерно по горизонтальной проекции обделки и прибавляется к расчетному вертикальному давлению

где D — наружный диаметр обделки.

В случае обделок из чугунных тюбингов собственный вес учитывают в монтажной стадии как нагрузку, распределенную по контуру кольца (см. § 78).

Гидростатическое давление. Интенсивность гидростатического давления, действующего на герметизированный тоннель, определяется положением точек его контура относительно уровня воды. Таким уровнем может быть зеркало водоема или свободный горизонт грунтовых вод, а при расположении тоннеля ниже водоупора — пьезометрический уровень напорных вод.

Эпюру гидростатического давления (рис. 262) можно представить в виде двух радиальных составляющих — равномерно распределенной по контуру с нормативной интенсивностью h_ω (тс/м²) и серповидной с нормативной интенсивностью, изменяющейся от нуля до 2r (тс/м²) в нижнем сечении обделки.

Первую составляющую, вызывающую в обделке равномерное обжатие нормальной силой N = rh_ω, (r — наружный радиус обделки), обычно называют «давление воды выше шелыги свода», вторую — «давление воды ниже шелыги свода».

Для определения расчетной нагрузки вводят коэффициент перегрузки 0,9 (или 1,1), большее значение которого принимают, если гидростатическое давление ухудшает напряженное состояние обделки. Как правило, оно улучшает работу обделки кругового очертания, так как уменьшает вертикальное горное давление за счет взвешивания в воде и уменьшения веса расположенного над тоннелем водоупорного пласта направленным вверх давлением напорных вод; создает обжатие обделки довольно значительной нормальной силой при менее существенном увеличении изгибающих моментов, т.е. способствует вписыванию кривой давления в тело обделки.

Поэтому гидростатическое давление следует учитывать с большой осторожностью, тем более что постройка вблизи тоннеля других подземных сооружений может вызвать понижение уровня грунтовых и в особенности напорных подземных вод.

Железобетонные обделки рекомендуется рассчитывать только на собственный вес и горное давление без учета взвешивающего действия воды. При этом уменьшением веса водоупорного пласта за счет направленного вверх давления напорных вод также можно пренебречь в запас прочности конструкции.