Кайжун Хун
Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей
(2) Грунт экструдируется в хвостовой зазор щита. После покидания тюбингов хвостовой частью щита, между стенкой шахты и внешней стороной тюбинга образуется кольцо зазора, в которое смещается грунт, тем самым вызывая оседание поверхности земли.
(3) Взаимодействие между грунтовой массой и тюбингом воздействуют друг на друга. Под воздействием давления окружающего грунта тюбинг деформируется, при этом тюбинг воздействует на окружающий пласт в противоположном направлении. Деформация пласта – комплексное проявление взаимодействия грунтовой массы и тюбинга.
(4) Изменение направления продвижения. При осуществлении уклона щита вверх, либо вниз, происходит экскавация избыточной массы грунта и хвостовой зазор щита увеличивается.
(5) Вторичная консолидация возмущаемого грунтовой массы – это еще одна важная причина деформации, особенно в насыщенных пластов мягкого грунта.
Таким образом, контролируя оседание и деформацию поверхности земли в процессе проведения проходческих работ, следует обращать особое внимание на следующие мероприятия.
1) Контроль параметров проходки
Продвижение щита вперед происходит, прежде всего, посредством управления параметрами толкающего действия гидроцилиндров. В процессе продвижения щита вперед преодолевается сопротивление фронтальной массы, сила трения между корпусом щита и грунтовой массой, между хвостовой частью щита и тюбингами, между прицепным послещитовым комплектом и стальными рельсами. Общее толкающее усилие щита должно превышать сумму фронтального толкающего усилия и общей силы трения, но слишком большое толкающее усилие может привести к сжиманию фронтальной грунтовой массы, при этом слишком малая тяга негативно влияет на скорость продвижения щита. Как правило, общее толкающее усилие щита должно соответствовать следующему соотношению: Активное давление фронтальной грунтовой массы + давление воды + общая сила трения < общее толкающее усилие щита < пассивное давление фронтальной грунтовой массы + давление воды + общая сила трения.
Во время продвижения щита, следует контролировать скорость продвижения, не давая щиту двигаться назад. Скорость продвижения определяется толкающим усилием гидроцилиндров и количеством входящего и выходящего грунта. Слишком большая, либо слишком малая скорость одинаково негативно сказываются на контроле положения щита. Слишком большая скорость может привести к излишнему «всплытию», щита, слишком малая – к излишнему погружению. Во время монтажа тюбингов, при сжатии гидроцилиндров продвижения может возникать движение щита назад, что, в свою очередь, вследствие потерь пласта, неизбежно приведет к оседанию грунтовой массы над забоем.
При проходке щита с грунтопригрузом (либо гидропригрузом), необходимо произвести оптимальные установки относительно давления грунта (либо глинистой воды) в призабойном отсеке, чтобы соотношение давления грунта (глинистой воды) в герметичном призабойном отсеке и водно-грунтового давления в забое находилось в примерно уравновешенном балансе. Это ключевой параметр сохранения стабильности забоя и основное техническое звено для щитовой проходки с грунтопригрузом, либо гидропригрузом.
2) Контроль положения и выравнивания отклонений
Положение щита включает в себя три параметра: уклон продвижения, направление плоскости и собственный угол поворота. Факторы, влияющие на положение щита: количество выпускаемого грунта, толщина грунтового покрова, условия цементирования вокруг корпуса щита во время продвижения, условия распределения пласта грунта в забое, условия распределения усилия гидроцилиндров продвижения. Например, при продвижении в условиях песчанистых слоев, либо малой толщины грунтового покрова, может происходить излишнее «всплытие» щита. Способы решения, в основном, заключаются в регулировке рационального положения гидроцилиндров продвижения.
Траектория продвижения щита вперед, как правило, является зигзагообразной. Необходимо обеспечить прохождение щита по заданной проектной кривой, в процессе продвижения вперед, посредством своевременного контроля производить корректировку отклонения. Данная корректировка не должна быть слишком большой, чрезмерное исправление отклонения может привести к излишней проходке и повлиять на стабильность окружающей грунтовой массы, поэтому необходимо делать небольшие корректировки, постоянно производя мониторинг.
3) Контроль давления в призабойном отсеке
В процессе щитовой проходки, сохранение баланса между давлением в призабойном отсеке и давлением поверхности работ (сумма давлений грунта и водно-глинистого раствора) является крайне важным фактором предупреждения оседания поверхности земли и сохранения безопасности строений. Значение давления в призабойном отсеке P должно быть противопоставлено давлению грунтовых пластов и гидростатическому давлению. Сумма давления гидростатического давления в центре резцовой головки и давления грунта равна P0, то P = KxP0. Для вязкостных грунтов в значение K, как правило, берется 1.0, при этом по фактической ситуации производятся корректировки с желательной градацией в 0.005 МПа. Для песчанистых грунтов в значение K, как правило, берется 1.3, при этом желательная градированная корректировка составляет 0.01 МПа. Корректировки давления в призабойном отсеке P в процессе проходки осуществляются на основании информации мониторинга геологических условий, глубины прохождения и оседания поверхности земли, посредством сохранения баланса между объемом выемки грунта и объемом выведенного грунта, что достигается установками и корректировкой скорости проходки и объема выводимого грунта.
4) Контроль количества выпускаемого шлака
В процессе щитовой проходки объем выемки грунта зависит от скорости вращения резцовой головки, крутящего момента разрезания и толкающего усилия гидроцилиндров продвижения. Объем отводимого грунта, в свою очередь, регулируется скоростью вращения шнекового транспортера (либо расхода шламового насоса). Так как щиты с грунтопригрузом и гидропригрузом используют давление грунта для уравновешивания давления грунта / шлама забоя, чтобы колебание давления в призабойном отсеке, либо давления шлама оставалось на малых величинах, необходимо сохранять баланс между объемом выемки грунта и объемом отводимого грунта. Объем отводимого шлака должно соответствовать объему проходки таким образом, чтобы значение опорного давления было стабильным и рациональным, тем самым обеспечивались наилучшие условия работы щита.
5) Контроль цементирования
По мере продвижения щита между корпусом щита и внешним периметром тюбинга образуется технологический зазор. Полное и одновременное заполнение этого зазора – это ключевое звено в уменьшении оседания поверхности земли. При определении параметра давления цементирования следует избегать чрезмерно большого давления, которое может привести к вспучиванию поверхности земли, либо повреждению тюбинговой обделки и повреждению хвостовой части щита. Теоретически давление цементирования должно быть чуть выше давления грунта и воды.
Для получения ожидаемого эффекта, цементирование должно происходить своевременно, в достаточном количестве и с малой усадкой объема суспензии. Во время цементирования давление заполнения отверстий должно превышать сумму давления статичных вод и давления грунта в данных точках, при этом необходимо следить, чтобы происходило именно заполнение, а не рассечение. Чрезмерное давление бетонирующей суспензии может привести к нарушению грунтовых пластов вокруг тюбингов и достаточно серьезному оседанию в будущем, а также растеканию суспензии. В обратном случае, при чрезмерно малом давлении цементирования, скорость заполнения слишком мала, заполнение происходит не полностью, что также может привести к оседанию.
6) Во время осуществления различных технологических этапов щитовой проходки, с целью предотвращения оседания поверхности, возможно проведение следующих целенаправленных мероприятий:
(1) Начало и завершение щитопроходной работы
Для уменьшения трения между щитом и окружающей породой в процессе прохождения, конструкция щита спроектирована с увеличением размера во фронтальной части и уменьшением в хвостовой части. Размер зоны проходки резцовой головкой превышает внешний диаметр щита, подземные воды в зоне рабочей плоскости забоя могут вытекать в направлении хвостовой части щита. Таким образом, необходимо прежде всего обеспечить хороший уровень герметичности резиновых затворных уплотнений в стартовой и финальной точках пробития, а вслед за этим, после того как хвостовая часть покинет тюбинг, необходимо своевременно начать заполнение бетонирующей суспензией.
(2) Замена резов резцовой головки в процессе проходки
При определенном износе резца резцовой головки во время проходки, либо для адаптации к различным грунтовым пластам, необходимо производить замену резца. Замена резца, как правило, производится в состоянии пониженного давления, так как в этот период высока вероятность дестабилизации забоя, обрушения и деформации фундаментов. Значит, необходимо производить замену в местах проходки, обладающих подходящими для этого геологическими условиями и соответствующими условиями на поверхности, либо предварительно осуществлять укрепление пласта, либо производить определенные мероприятия, такие как работа сжатым воздухом и т. д., и только после этого производить замену резца.
(3) Прохождение под особыми защищаемыми строениями
При прохождении вблизи важных защищаемых строений, особо чувствительных к деформации основания, при недостаточном контроле есть опасность их разрушения вследствие оседания, либо вспучивания поверхности земли. При прохождении под такими строениями необходимо усилить контроль за проведением работ. С целью обеспечения защиты наземных строений и безопасности подземных коммуникаций, прежде всего, следует произвести геодезический мониторинг работ, на основании которого разработать список мероприятий по контролю оседания поверхности земли и способов защиты окружающего пространства. Необходимо минимизировать степень нарушения, оказываемого на забой, в ходе работ избрать гибкие, быстрые и рациональные способы поддержки фронтальной поверхности, либо соответствующие значения давления сжатого воздуха для предупреждения обрушения грунтовой массы, тем самым защитить забой от излишнего воздействия. Следует строго контролировать объем выходящего грунта в процессе проходки. Во избежание излишней проходки, следует контролировать степень корректировки отклонения при продвижении щита на одно звено. Также следует увеличивать скорость работ, обеспечивать их непрерывность и т. д. Помимо этого, заполняя хвостовой технологический зазор бетонирующей суспензией под давлением, необходимо, насколько это возможно, сократить время обнаженного состояния обделки после отхода от нее хвостовой части щита, тем самым предупреждая обрушение пласта, обеспечивая необходимый количественный показатель и контроль давления цементирования. Также как и в других сферах подземного строительства, способы защиты близлежащих строений можно подразделять на: переукрепление основания, усиление конструкции, укрепление основания, перегораживание и замораживание и др.
3.3.5. Применение заполнителя Clay-Shock / GMEM (Grammud Effect Material) для контроля оседания
1) Состав и применение заполнителя GMEM
Заполнитель GMEM представляет собой порошкообразное вещество, состоящее из синтетических глинистых минералов на основе кальция, коллоидного стабилизатора и сложных диспергирующих агентов. Данный материал смешивают с определенной долей воды, образуя суспензию, затем смешивают с жидким стеклом в определенной пропорции и производят перемешивание. После схватывания материал не поддается воздействию воды, получая определенные удерживающие свойства и, при низкой твердости, превращается в вязкую, никогда не затвердевающую, массу.
Оседание грунтовых пластов, вызванное щитовой проходкой, включает в себя пять стадий. Как показано на рис. 3-20: первичное оседание (раннее оседание), оседание по прибытии щита (проходческое оседание), оседание при прохождении щита, оседание при покидании тюбинга хвостовой частью щита (оседание в зоне хвостового зазора), а также позднее оседание (последующее оседание).
Метод работ с заполнителем GMEM в основном используется для устранения оседания на стадии 3, также помогает эффективно контролировать оседание на стадии 4. Такой способ особенно полезен в процессе проходки под зданиями со слабым основанием, железными дорогами, трубопроводами и в неглубоких слоях. Данный способ использовался при: строительстве ветки № 8 Уханьского метрополитена с применением щита крупного диаметра, проходящего сквозь жилые районы;
при строительстве ветки № 7 Уханьского метрополитена от ул. Сянган до Ханькой Ань, проходящего через группы зданий;
при строительстве ветки № 7 Уханьского метрополитена под 27-й секцией железной дороги;
при прохождении под зданиями во время строительства туннеля Qinghua Garden Пекинской железной дороги Zhangjiako;
при прохождении под группой свайных фундаментов микрорайона Zhenghe во время строительства ветки № 5 метрополитена г. Чженчжоу; а также на более чем 50 объектах щитопроходного строительства по всему Китаю.
Рис. 3-19. Определение параметра потери грунта после проходки GAP
2) Применение заполнителя GMEM и анализ оседания на стадии прохождения щита
В процессе щитовой проходки снаружи корпуса щита в результате проходки образуется зазор, который может вызывать оседание грунтовых масс, особенно в условиях мягких пород неглубоких слоев, либо при прохождении под строениями. Для уменьшения степени нарушения вышележащего грунта, зазор заполняется различными материалами, что позволяет контролировать оседание грунта. Эти заполняющие материалы должны обладать следующими характеристиками:
(1) Материал должен обладать достаточной текучестью. Если материал не обладает хорошей текучестью, то он не может полностью заполнить все пространство зазоров вокруг корпуса щита, и не сможет создать эффективную обволакивающую защиту. Если же заполнять зазор другими пластичными материалами, они будут лишь растекаться по корпусу щита; при этом будет сложно контролировать давление заполнения и будет высока вероятность вспучивания грунтовой массы. Особенно при прохождении под опасными участками с плохим основанием: опасность вспучивания грунтовых масс может превышать опасность оседания.
(2) После заполнения зазора заполняющий материал должен создавать определенное удерживающее усилие, чтобы сдерживать оседающую грунтовую массу. Однако прочность сопротивления такого материала должна быть низкой, так как при высокой твердости значительно возрастет нагрузка на щит, что приведет к застреванию щита.
(3) Материал, после схватывания и образования пластичности, должен обладать определенной влагостойкостью, чтобы противостоять размыванию водой.
(4) Материал должен обладать определенной лубрикационной способностью, чтобы гасить сдвиговые колебания при разрезании и облегчать тяговую нагрузку на щит.
Заполнитель GMEM абсолютно удовлетворяет всем вышеперечисленным условиям и обладает следующими характеристиками и преимуществами:
(1) Заполнитель GMEM является бетонирующим материалом, состоит из двух жидкостных компонентов: при проведении работ, прежде всего заполнитель GMEM в виде порошка смешивают в определенной пропорции с водой, образуя суспензию, затем перемешивают ее с жидким стеклом, одновременно закачивая в зазор вокруг корпуса щита, заполняя его. Спустя 4 ~ 5 секунд после заполнения начинается пластификация и схватывание, так что материал, обладая хорошей текучестью во время процесса заполнения, эффективно достигает всех зон зазора.
(2) Спустя 20 ~ 30 секунд после заполнения, заполнитель GMEM пластифицируется и схватывается, приобретая состояние пластичной глины, имея определенную вязкость и создавая удерживающее усилие. При использовании с целью контроля оседания, вязкость заполнителя GMEM после затвердевания обычно можно с помощью дозировки регулировать в пределах значений 300 ~ 350 дПас, обеспечивая сравнительно малую твердость. Такую вязкость можно сравнить с зубной пастой (300 дПас) и воском (400 дПас).
(3) После схватывания и пластификации заполнитель GMEM не поддается разбавлению водой, при этом имеет определенную лубрикационную способность, что облегчает процесс щитовой проходки.
(4) Материал заполняет пространство вокруг корпуса щита, при этом перекрывая доступ суспензии в область резцовой головки при синхронном цементировании. Образовавшаяся вокруг щита глинистая пленка из заполнителя навсегда остается по ходу продвижения щита, тем самым уменьшается возможность проникновения суспензии в грунтовый слой и достигается наиболее эффективное предотвращение оседания в процессе синхронного цементирования, что позволяет осуществлять эффективный контроль оседания на 4-й стадии.
3) Способ применения заполнителя GMEM (рис. 3-21)
(1) Порошок заполнителя GMEM смешивается в определенной пропорции с водой, образуя жидкую суспензию GMEM (жидкость А). Дозировка порошка GMEM на кубический метр – 360 ~ 380 кг (показатель вязкости суспензии должен составлять около 300 дПас; для разных геологических условий и гидрологических режимов необходимо производить соответствующую корректировку дозировки);
(2) Затем жидкая суспензия GMEM (жидкость А) смешивается с жидким стеклом (жидкость В) в соотношении 20 / 1 и подается по трубопроводу в полость радиального отверстия в корпусе щита. Жидкости А и В после перемешивания через радиальное отверстие попадают во внешнее пространство вокруг корпуса щита. Так как заполнитель GMEM проникает в грунтовый слой в жидком состоянии, при выборе скорости закачки необходимо производить соответствующие корректировки. Для алевритовых глинистых слоев выбирается скорость закачки 120% ~ 150%; для алевритовых слоев – 130%; для окатанного гравия в зависимости от фактической плотности – 120% ~ 150%.
Рис. 3-21. Оборудование закачки заполнителя Clay-Shock (GMEM)
4) Примеры применения заполнителя Clay-Shock (GMEM)
При строительстве метрополитена аэропорта Тайвань – Таоюань CU02A, расположенного в уезде Таоюань на восточной стороне Наньканьси, был построен траншейный крытый туннель, после прохождения через Наньканьси, туннель входил в нижнюю часть аэропорта Таоюань, проходил через западную и восточную взлетные площадки, через терминалы № 1 и № 2, через командно-диспетчерскую вышку и т. д. Также в восточной части уезда Пусинь был построен траншейный крытый туннель, протяженность подземного участка составила 5.5 км, также были построены 3 подземные автобусные станции, 10 веток щитопроходных туннелей (по 5 верхних и нижних отрезков), а также 5 траншейных крытых туннельных отрезков. В данном проекте использовались 8 щитопроходных установок с грунтопригрузом диаметром 6.24 м. Прохождение отрезка взлетно-посадочной полосы аэропорта проходило в условиях валунно-галечниковых слоев, водный уровень составлял 8 м, высота покрывающего слоя над туннелем составила 25 м.
Во время обычной проходки щита степень фронтального и среднего оседания составила около 1.3 мм; во время прохождения 57-го звена на точке № 12 через радиальное отверстие щита был закачен заполнитель GMEM и пройдено 15 звеньев с заполнением вокруг корпуса щита, при этом показатели оседания контролировались на уровне 0.2 ~ 0.3 мм. Результаты измерения оседания пласта до и после использования заполнителя GMEM можно увидеть на рис. 3-22.
Рис. 3-22. Результаты измерений до и после использования заполнителя GMEM
ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЩИТОВОЙ ОБДЕЛКИ ТУННЕЛЯ
Продуманная конструкция обделки щитового туннеля оказывает решающее влияние на качество всего туннеля после формовки. В отрасли существуют разногласия по поводу водонепроницаемости стыков труб, использования однослойной или двухслойной обделки для щитовых туннелей и т. д. В данной главе приводятся некоторые соображения по этим вопросам в сочетании с инженерной практикой.
4.1. КОНСТРУКЦИЯ ТЮБИНГА
Как в отечественной, так и в международной практике при проектировании щитовых туннелей основное внимание уделяется безопасности, экономичности и применимости при монтаже. Проектирование тюбингов осуществляется как в поперечном, так и в продольном направлениях туннеля. Обычно проектирование в первом случае определяет поперечное сечение туннеля, а проектирование во втором – способность туннеля противостоять землетрясениям и оседанию основания. В данном разделе обобщаются и сравниваются методы проектирования, модели тюбинга, сейсмостойкость тюбинга и армирование тюбинга щитового туннеля.
4.1.1. Метод проектирования туннельного тюбинга
В настоящее время методы расчета внутренних усилий (расчет внутренней силы) для конструкций щитовых туннельных тюбингов в Китае включают метод эмпирической аналогии, метод предела сходимости, метод структурной нагрузки и метод стратиграфической структуры. Поскольку метод эмпирической аналогии не имеет теоретической базы и результатов расчета, он часто используется для оценки и дополнения других методов расчета. Тогда как принцип расчета метода предела сходимости все еще нуждается в дальнейшем исследовании и совершенствовании и часто используется для руководства строительством в сочетании с данными мониторинга строительной площадки. Метод стратиграфической структуры и метод структуры нагрузки являются теоретическими методами расчета с более строгой теоретической системой, а результаты расчета могут быть использованы для структурного проектирования и часто используются в качестве основы для проектирования. В соответствующих нормах проектирования в Китае для обычного проектирования рекомендуется метод структуры нагрузки, а в особых случаях для проверки можно использовать метод стратиграфической структуры.
В последние десятилетия метод расчета конструкции тюбинга для щитовых туннелей общего назначения среднего и малого диаметра (наружный диаметр туннеля D < 10 м) обычно основывается на нагрузке. Наиболее часто используемыми моделями являются однородная круговая модель, однородная круговая модель эквивалентной жесткости, упругая шарнирная круговая модель и двухкольцевая балка – модель пружины.
В модели однородного круга не учитывается снижение жесткости стыка тюбинговой части, и тюбинговая часть рассматривается как жесткое кольцо, а структурный анализ проводится напрямую. Грунтовые и водные нагрузки рассчитываются в соответствии с проницаемостью пласта как совместный расчет или расчет грунта и воды.
Вертикальное давление грунта определяется в зависимости от глубины туннеля и характера пласта с помощью полного давления вскрышного грунта или давления провисающего грунта, расчет давления провисающего грунта может быть рассчитан по формуле Тайшаджи, горизонтальное давление грунта рассчитывается в соответствии с вертикальным давлением грунта, умноженным на коэффициент бокового давления грунта. Вертикальная сила реакции основания определяется в соответствии с условием вертикального равновесия, а горизонтальная сила реакции основания рассматривается в диапазоне 45° выше и ниже центра конструкции в соответствии с законом распределения равнобедренного треугольника, и ее величина определяется в соответствии с горизонтальной деформацией, умноженной на коэффициент сопротивления основания. Эта модель возникла в Японии, поэтому ее называют общепринятой японской моделью.
Эквивалентная модель однородного кольца жесткости не учитывает напрямую существование стыков тюбинга при расчете и вводит коэффициент эффективности жесткости η и изгибающий момент ζ для отражения влияния кольцевых и продольных стыков тюбинга на внутреннюю силу, что является приблизительной упрощенной моделью конструкции щитовой обделки туннеля, где η применяется для отражения влияния уменьшения жесткости кольцевой обделки из-за наличия стыков тюбинга, а ζ – для отражения увеличения жесткости соседних колец обделки, поддерживаемых друг другом через межкольцевые стыки при ступенчатой сборке. Расчет нагрузки на грунт и воду и силы реакции основания в этой модели такой же, как и в однородной кольцевой модели. Для значений η и ζ в Японии после ряда экспериментов были даны рекомендуемые значения для различных диаметров и различных соединений, поэтому данная модель также называется доработанной японской моделью.
Модель упругошарнирного (многошарнирного) кольца моделирует соединение тюбинга как вращающуюся пружину с определенной жесткостью или непосредственно упрощенное сочленение без учета влияния каждого кольца между частями тюбинга. Само упругошарнирное (многошарнирное) кольцо является подвижной структурой, которая может быть стабилизирована только под действием реакции вмещающей породы, поэтому такая структура может быть использована только при относительно хорошем состоянии вмещающей породы. Кроме того, при использовании модели упругогошарнирного кольца точность расчета напрямую зависит от величины вращательной жесткости вращающейся пружины. Расчет нагрузки на грунт в этой модели в основном такой же, как и в однородной круговой модели, в то время как давление воды определяется в соответствии с высотой напора и затем направляется в центр формы трубчатого листа, а сопротивление грунта моделируется пружиной основания. Модель двухкольцевой балки-пружины использует вращающиеся пружины для моделирования соединений между каждым кольцом труб, а для туннелей, собранных со смещенными соединениями при моделировании кольцевых соединений используются радиальные и тангенциальные пружины сдвига. Моделирование стыковых соединений является более полным, также как и в модели упругого шарнирного кольца, точность результатов расчета модели двухкольцевой балки-пружины зависит от точности значения жесткости соединения. Расчет и моделирование нагрузок на грунт и воду и сопротивления пласта грунта в этой модели такие же, как и в модели упругого шарнирного кольца.
В последнее десятилетие появились щитовые туннели большого (D ≥ 10 м) и очень большого (D > 15 м) диаметра. Толщина обделки увеличивается с меньшей скоростью, чем диаметр туннеля, а количество продольных швов увеличивается из-за увеличения количества отрезков труб, жесткость на изгиб конструкции обделки щитовых туннелей большого и очень большого диаметра ниже, чем у щитовых туннелей малого диаметра. Для определения жесткости контура и продольных швов необходимо использовать расчетную модель на основе модельного испытания или испытания по следам, используя либо метод структуры нагрузки пружинной модели, либо стратиграфический метод.
Основной процесс проектирования поперечного сечения тюбинга в Японии показан на рис. 4-1. В таблице 4-1 показаны методы проектирования, используемые в других странах, кроме Японии. В таблице 4-2 приведено сравнение японского и немецкого методов проектирования тюбинга, которые можно использовать в качестве справочной информации.
Рис. 4-1. Основной процесс проектирования тюбингов
Таблица 4-1. Методы проектирования щитовых туннелей в других странах (кроме Японии)
Таблица 4-2. Сравнение японского и немецкого методов проектирования тюбингов
Несмотря на то, что условия заложения щитовых туннелей важны, существуют также различия в механических свойствах, обусловленные формой сечения и методом строительства, что, естественно, приводит к выбору различных методов проектирования тюбинга, где обделка должна быть спроектирована в соответствии с этими характеристиками. Исходя из прошлой практики, большинство туннелей имеют круглое сечение, поэтому в данном разделе основное внимание уделяется методам проектирования и опыту работы с круглыми сечениями.
4.1.2. Проектирование модели тюбинга
Более типичными упрощенными гипотетическими моделями тюбинга являются: кольцо тюбинга рассматривается как круглое кольцо с равномерной жесткостью на изгиб, кольцо тюбинга рассматривается как многошарнирное круглое кольцо и кольцо тюбинга рассматривается как круглое кольцо с вращающейся пружиной. Для первой из этих упрощенных гипотетических моделей существуют общие методы проектирования и модифицированные общие методы проектирования; для второй – аналитический метод для многошарнирных колец; для третьей – аналитический метод для моделей балка-пружина. В настоящее время в дополнение к вышеупомянутым трем типичным методам расчета конструкции тюбинга, метод проектирования с использованием пружин сдвига для оценки эффекта ступенчатого сращивания также вступил в практическую стадию.
1) Общие методы проектирования
Этот метод не учитывает снижение жесткости соединения тюбинга, а рассматривает его как круговое кольцо с равномерной жесткостью. При расчете предполагается, что грунт реагирует на деформацию кольца тюбинга и решается уравнение упругости. Общий метод проектирования – это текущий метод проектирования, обычно используемый в Японии. Для этого метода проектирования необходимы конкретные расчетные формулы.
2) Корректировка общего метода проектирования
Кольцо из тюбинга имеет стыки и, следовательно, пониженную жесткость. Если расчет основан на общем методе проектирования и учитывается влияние стыков, то процесс можно назвать модифицированным общим методом проектирования.
Даже если кольца расположены в шахматном порядке и сращиваются друг с другом из-за наличия швов в тюбинге общий расчетный метод коррекции предполагает равномерную изгибную жесткость ηEI (η ≤ 1) для сил кольцевого сечения (M, N, Q), которая меньше общей изгибной жесткости EI тюбинга, при этом параметр η называется эффективной скоростью изгибной жесткости.
Рис. 4-2. Основная структура метода упругих шарнирных колец (продольный профиль туннеля)
Стыки тюбинга имеют некоторые характеристики сочленения, поэтому можно предположить, что не весь изгибающий момент передается стыками труб, а часть изгибающего момента передается на сцепленные соседние части тюбинга, как показано на рис. 4-2.
Этот метод целесообразно использовать для нахождения поперечных сил путем увеличения только изгибающего момента, который принимается равным (1 + ξ) M, в сочетании с осевой силой N для расчета. Параметр ξ представляет собой отношение изгибающего момента, передаваемого на соседний участок тюбинга, к расчетному изгибающему моменту и называется коэффициентом увеличения момента. Кроме того, в этом случае расчетный изгибающий момент и осевая сила соединения деталей тюбинга могут быть приняты равными (1 – ξ) М и (1 – ξ) N соответственно.
Параметры η и ξ изменяются в зависимости от типа тюбинга, конструктивной формы тюбингового соединения, способа сцепления колец и конструктивной формы; кроме того, на них особое влияние оказывают окружающие пласты. Теоретически метод расчета еще не установлен, но предполагается, что эти два параметра связаны друг с другом, то есть если значение η близко к 1, то значение ξ стремится к 0. При расчете поперечных сил с использованием модифицированного общего метода расчета, получение слишком малого значения η приведет к завышению сил реакции основания на пласты. В то же время, поперечные силы кольца тюбинга недооцениваются, поэтому значения этих параметров должны быть тщательно продуманы. Согласно существующей практике, значения параметров η и ξ определяются на основе результатов испытаний и опыта.