Особенности предварительно напряженной обделки тоннелей
|
Предварительно напряженные сборные обделки впервые были применены при строительстве напорных гидротехнических тоннелей. Их главное назначение сводилось к повышению работоспособности обделки на внутреннее давление воды, так как при предварительном напряжении (сжатие) в обделке не происходит раскрытия стыков и образования трещин, благодаря чему достигается водонепроницаемость обделки. Предварительным напряжением сборных обделок транспортных тоннелей можно устранить ряд затруднений, связанных с возведением водонепроницаемой обделки рациональной конструкции. К числу положительных факторов предварительного напряжения могут быть отнесены следующие: 1) принудительное закрытие начальных зазоров в продольных стыках; 2) уплотнение гидроизоляции в продольных стыках благодаря ее защемлению между торцами элементов обделки; 3) геометрическая неизменяемость обделки в монтажный период; 4) предохранение обделки от трещин растяжения; 5) снижение расхода бетона и арматурной стали. Большое разнообразие гидрогеологических условий заложения тоннелей предопределили значительное разнообразие конструктивных решений обделок и способов предварительного напряжения.  Первоначальный способ предварительного напряжения тоннельных обделок основан на принципе обжатия обделки при помощи нагнетаемого за обделку раствора. При этом способе применяют комбинированную обделку: наружную — бетонную, а внутреннюю — сборную железобетонную. Назначение наружной — выравнивать и уплотнять поверхность выработки с целью создания полости правильной цилиндрической формы. Внутренняя сборная железобетонная обделка несколько меньшего диаметра, с наружными ребрами и шипами, обеспечивающими опирание на монолитную бетонную обделку (рис. III.15). Высота ребер и шипов должна быть такой, чтобы обеспечивался зазор между наружной и внутренней обделками в 3 см. Через отверстия в блоках в этот кольцевой зазор нагнетают цементный раствор под давлением до 13 ати. Сжимающие напряжения, возникающие вследствие обжатия обделки, могут быть определены из выражения  Произведенными экспериментальными испытаниями доказана принципиальная возможность применения этого способа предварительного напряжения обделки. Его обнаруженные при этом некоторые недостатки: вероятность уменьшения давления раствора на обделку в период твердения вследствие усадки, а также и утечки, которые могут приводить к неравномерному давлению по контуру обделки. Утечки могут быть в зазорах между блоками, трещинах в монолитной обделке, неплотностях в кольцевом зазоре. Потери предварительного обжатия обделки вызываются, кроме усадки раствора, усадкой и ползучестью бетона наружной обделки и породы. Очевидно, что в каждом конкретном случае потери будут различными и требующими экспериментальной проверки. Достоинство этого способа предварительного напряжения обделки — отсутствие дополнительных затрат металла; главный недостаток — необходимость применения наружной облицовки из монолитного бетона. Другой способ создания предварительного напряжения в обделке основан на применении стальных обручей и домкратов. В этом случае обделку (рис. III.16,а) формируют из обычных прямоугольных блоков 1; по наружной поверхности она имеет обруч 2 из полосовой нержавеющей стали, рассчитанный на воспринятие силы (нормальной) предварительного напряжения. Гидравлические домкраты 4 для натяжения обручей помещают в окна между блоками каждого кольца, предусмотренные в обделке на уровне горизонтального диаметра.  Такую обделку применяют при щитовой проходке. Последовательность работ (см. рис. III.16, а): 1) установка обручей 2 внутри оболочки щита (из двух частей с замком сверху и снизу); 2) укладка блоков 1 внутри обручей (эректором) с поджатием щитовыми домкратами и одновременной установкой двух гидравлических домкратов 4 (грузоподъемностью по 50 т) в окнах обделки; 3) натяжение обручей 2 (после замыкания кольца) гидравлическими домкратами, обжимающими обделку; 4) установка блоков-вкладышей 3 с обеих сторон каждого домкрата; 5) передача давления на вкладыши, удаление домкратов и омоноличивание остающихся гнезд; 6) чеканка швов цементной замазкой; 7) торкретирование внутренней поверхности обделки по металлической сетке. Такая обделка может быть применена для сооружения щитовым способом городских тоннелей в неблагоприятных гидрогеологических условиях. Недостатки обделки с наружными обручами: - некоторое искажение круговой формы обделки вследствие поворота блоков под действием усилий домкратов; - необходимость омоноличивания окон без обжатия и с избыточным обжатием блоков-вкладышей вследствие некоторой потери ими напряжения при передаче давлений с домкратов; - сложность изготовления и установки стальных обручей; большая трудоемкость операций по монтажу обручей, установке и извлечению домкратов, замене их вкладышами и омоноличиванию окон: - большие затраты полосовой стали на изготовление обручей в сравнении с обручами из высокопрочной проволоки. Искусственное натяжение бандажей можно создать другим способом — стягиванием блоков к центру кольца обделки (а не их взаимным расширением) при помощи стяжных муфт (рис. III. 16, б) или гидравлических домкратов (рис. III. 16, в). Конструкция обделки состоит (см. рис. III. 16, б) из взаимозаменяемых бетонных блоков 1 прямоугольного сечения шириной 100 см. На внешней поверхности блоков предусмотрены пазы для бандажей глубиной 2—3 см и шириной 5—10 см. Каждый бандаж 5 состоит из двух полуколец, соединяемых и стягиваемых на уровне горизонтального диаметра через оставленные в обделке для этой цели пазы (окна). Бандаж представляет собой пучок арматуры из высокопрочной проволоки с анкером на конце (рис. III.17). В пределах каждого кольца обделки помещают два бандажа из пучковой арматуры, защищаемых от влияния коррозии оболочкой из стального листа, заполняемой после окончания натяжения цементным тестом.  Последовательность работ по монтажу такой обделки аналогична обычной для неармированных блоков, но с предварительной постановкой средств для обжатия обделки (бандажей, муфтовых соединений). Бандажи можно натягивать двояким способом: или только муфтами или муфтами (предварительное натяжение) и гидравлическими домкратами (окончательное натяжение) для обеспечения равномерного распределения напряжений в стыках обделки. К достоинствам предварительно напряженной сборной обделки может быть отнесена возможность ее применения при проходе без щита, а также известная экономия в металле благодаря применению высокопрочной пучковой арматуры; к недостаткам — ограниченность величины натяжения при использовании муфт, необходимость оставления в теле обделки закладных металлических элементов — рамок и опор (в случае применения домкратов), и ослабление блоков окнами, необходимыми для доступа к муфтам. При щитовой проходке для предварительного напряжения обделки рационально использовать усилия щитовых домкратов. В этом отношении заслуживает внимания обделка с наружными обручами из высокопрочной проволоки, напрягаемой при помощи вдавливания клиновидных блоков. Конструкция обделки (рис. III. 18, а) состоит из трех клиновидных и шести однотипных блоков шириной 100 см, имеющих каждый с одной стороны плоский торец, а с другой — вогнутый и скошенный в соответствии с уклоном продольного торца смежных клиновидных блоков. Обручи из высокопрочной проволоки при диаметре ее 5 мм и прочности Rр=17000 кГ/см2 состоят из 25 витков, а при диаметре 4 мм и Rp=15000 кГ/cм2 из 45 витков. Размещают их по внешней поверхности блоков в канавках-пазах.  Монтаж обделки состоит из следующих операций: 1) установка и закрепление обручей внутри оболочки щита (рис. III.18, б) таким образом, что нижняя часть обручей располагается непосредственно на оболочке, а верхнюю подвешивают на специальные кронштейны (рис. III.18,в); 2) укладка блоков с удалением поддерживающих кронштейнов. Торцы блоков промазывают для уменьшения сил трения гидроизомастом; 3) вдавливание клиновых блоков домкратами щита при его передвижении и тем самым натяжение наружных обручей. Главное достоинство этого способа — более качественное обжатие начальных зазоров, а также отсутствие каких-либо пазов-окон, ослабляющих обделку. К недостаткам относятся: поворот клиновидных блоков при их вдавливании, повреждение бетона в торцах блоков, сравнительная многодельность по монтажу и напряжению обделки. При оценке приведенного конструктивного и производственного решения предварительного обжатия сборной обделки следует рассматривать его как базу для всесторонних научных исследований. Конструктивные решения предварительно напряженных обделок получают свое дальнейшее развитие и совершенствование по пути отказа от внешних обручей и замены их действия равномерным отпором породы. Сущность обделки, обжатой в породу, в том, что при монтаже ее плотно прижимают к контуру выработки без оставления за обделкой каких-либо пустот. При этом в обделке возникают сжимающие усилия, обеспечивающие рациональную работу материала обделки (на сжатие), а величину и распределение контурных давлений можно регулировать искусственно. Обжатие обделки в породу стабилизирует равновесие горного массива, предупреждает осадки поверхности земли и исключает необходимость нагнетания раствора, упрощает процесс монтажа обделки. Создаваемое таким образом предварительное обжатие обделки напрягает систему «обделка — порода», позволяет задавать определенный режим работы конструкции и управлять действующими на нее нагрузками. Наружный диаметр обделки принимают несколько большим, чем диаметр выработки. Напряжение обделки и обжатие породы обеспечивают за счет разности длин контуров обделки и выработки.  Конструкции обжатых обделок могут быть бетонными, железобетонными и чугунными с шарнирными соединениями в продольных стыках. Продольные стыки могут быть (рис. III.19) цилиндрическими, выпукло-вогнутыми и двояковыпуклыми, а поперечные — плоскими с уступами или двояковыпуклыми. Чугунные обжатые обделки также имеют шарнирные продольные стыки (рис. 111.20) выпукло-вогнутой формы. После обжатия кольца гидравлическими домкратами вставляют в зазор между лотковым и боковыми тюбингами шарнирные чугунные вкладыши и клинья. Применение обжатых обделок рационально в таких породах, в которых может быть создан ровный контур выработки, что возможно лишь при механизированном способе проходки. Этим условиям вполне удовлетворяют глины и слабые скальные породы, допускающие оставление незакрепленной выработки в течение обжатия кольца обделки за пределами оболочки щита, а при необходимости и в период монтажа. Элементы нижней половины кольца обделки укладывают непосредственно на контур выработки, применяя поддерживающие устройства в верхней части, и после замыкания кольца немедленно обжимают в породу при помощи клиновых устройств или домкратов.  В случае применения одного или нескольких клиновидных блоков (рис. III.21, а) им придают вначале смещенное из плоскости кольца в сторону щита положение. Нажатием щитовыми домкратами эти блоки полностью входят в пределы кольца с центрированными усилиями в стыках и создают его обжатие в породу. Видоизмененным вариантом такого обжатия служит двухклиновое устройство, помещаемое в замковой части бетонной обделки (рис. III. 21, б). При этом способе обжатия возникают значительные силы трения обделки по породе, приводящие к неравномерности напряжений обделки. Для уменьшения сил трения применяют смазочные материалы, наносимые на внешнюю поверхность элементов обделки и в стыки (например, латексбитуминозную эмульсию). При одном клиновом элементе работы по монтажу могут быть значительно упрощены и эффективность обжатия всего кольца будет достаточной Обжатие обделки в породу может быть создано гидравлическими домкратами (рис. III. 22, а), устанавливаемыми на уровне горизонтального диаметра в специальных окнах-пазах между блоками. В этом случае по окончании обжатия зазор между торцами блоков заполняют жесткой бетонной смесью, после твердения которой домкраты убирают, а пазы бетонируют. Недостатки такого способа — сложность конфигурации блоков, ослабление обделки окнами-пазами и необходимость их омоноличивания. Для устранения этих недостатков можно применять распорное устройство рычажного типа (рис. III. 22,б), вынесенное из контура обделки. Фиксацию блоков в раздвинутом положении осуществляют широкими клиньями.  Для возведения обжатой обделки в песчаной среде можно использовать клиновое устройство в замковой части обделки при двух способах монтажа. Первый — когда обделку собирают внутри щита, а обжимают в породу за ее пределами при передвижении щита; частично осыпавшийся песок будет прижат обделкой к контуру выработки. Второй способ (рис. III. 23) требует реконструкции оболочки 2 щита 1. Листы оболочки должны быть выдвижными на ширину кольца обделки 5 в верхней его части и укороченными в лотке, а их разбивка на элементы должна соответствовать схеме расположения блоков в обделке. В свод инъектируют вяжущее. Вначале укладывают нижний блок непосредственно на породу. Затем последовательно отодвигают щитовыми домкратами 3 листы оболочки с одновременной немедленной установкой и поддержкой соответствующих блоков. Верхняя часть над клиновым вкладышем при этом перекрыта двумя тонкими и узкими полулистами 4, прикрепленными к смежным элементам оболочки. Обделке придают напряженное состояние вдавливанием верхнего клина. Таким образом, обделку собирают в проектное положение с соблюдением непосредственного контакта с породой каждого устанавливаемого блока. |
