Расчет обделки тоннеля представляет собой комплекс геотехнических и конструктивных расчетов, в ходе которых определяются проектные параметры (конструкция, толщина элементов, армирование и т.д.).
Расчет обделки тоннеля может выполняться методами строительной механики на заданные нагрузки или методами механики сплошной среды. Ниже рассмотрены особенности и область применения каждой группы методов.
Нормативная база
Наиболее проработанный нормативный документ по расчету тоннельных обделок – это СП 122.13330.2012 «Тоннели железнодорожные и автодорожные». В этом же документе подробно отражены вопросы сбора нагрузок на тоннельную обделку. Также, при расчете тоннельной обделки используются следующие основные нормативные документы:
- СП 248.1325800.2016 Сооружения подземные. Правила проектирования
- СП 35.13330.2011 Мосты и трубы
- СП 120.13330.2012 Метрополитены
- Руководство по расчёту и проектированию транспортных тоннелей для районов с повышенной сейсмичностью
Теоретические основы расчета тоннелей подробно освещены в технической литературе:
Расчет методом «на заданные нагрузки»
Расчет методами строительной механики на заданные нагрузки предполагает два серьезных упрощения:
- первое – нагрузки от давления грунта заранее известны, рассчитываются по известным формулам, и задаются как исходные данные;
- второе – грунт моделируются «пружинками», жесткость которых определяется через коэффициент упругого отпора.
Использовать метод «на заданные нагрузки» рекомендуется только для предварительных расчетов на предпроектном этапе. Для расчетов по этому методу можно использовать как специализированные программы типа TUN2 (предназначена для статического расчета тоннельных обделок), так и программы широкого назначения типа Лира или Скад.
Расчет методами механики сплошной среды
Наиболее точным и достоверным методом расчета обделки тоннеля является численное моделирование с применением метода конечных элементов (МКЭ) и упругопластических моделей грунтов, это относится к методам механики сплошной среды.
Расчеты методами механики сплошной среды позволяют:
- учесть совместную работу тоннельной обделки с грунтовым массивом;
- учесть технологию строительства и историю формирования напряженно-деформированного состояния (НДС);
- построить расчетную схему с минимальным количеством упрощений и допущений.
Важно заметить, что для расчетов методами механики сплошной среды можно использовать только специализированные геотехнические программные комплексы типа Plaxis, Midas GTS NX, Z-Soil. Кроме того, расчеты по этому методу требуют высокой квалификации и соответствующего опыта.
Горное давление
Горное давление во многих случаях – это основная нагрузка на тоннельную обделку. В дисперсных грунтах при относительно небольшой глубине заложения тоннеля горное давление получается равным весу всей толщи грунта над тоннелем. С увеличением глубины заложения точно определить величину горного давления практически невозможно, особенно в скальных грунтах. В этой связи придуманы различные теории, позволяющие хоть как-то оценить величину горного давления, чтобы можно было задать нагрузки для расчетов. Наиболее известной и апробированной является теория проф. М.М. Протодьяконова, в основе которой лежит свод обрушения и коэффициент крепости грунта.
В тоннельном СП есть важные пункты, подчеркивающие всю проблематичность теоретического определения горного давления. В частности, рекомендуется обратить внимание на пункт 5.5.2.3, предполагающий экспериментальное определение величины горного давления. Также интересен пункт 5.6.3, согласно которому расчеты конструкций можно вообще не выполнять, приняв параметры обделки по объектам-аналогам или определив их в ходе опытной проверки.
Прежде чем выполнять расчеты тоннельных обделок, полезно вникнуть в проблематику горного давления.
Расчетные сечения
Тоннельные обделки в первую очередь рассчитываются в поперечном сечении. На основании анализа продольного инженерно-геологического разреза назначаются расчетные сечения. Затем, каждое из этих сечений детально просчитывается с использованием плоских 2D моделей.
Геотехнические расчеты тоннелей могут выполняться и в пространственной 3D постановке, однако это следует рассматривать как дополнение к 2D расчетам, а не их замену.
Расчет продольных относительно тоннеля сечений крайне важен для оценки устойчивости лба забоя. Такой расчет тоже может быть выполнен в двухмерной постановке. Для надежной работы тоннельной обделки важно обеспечить устойчивость лба забоя при проходке тоннеля.
При расчете продольных и поперечных сечений необходимо выполнять расчет устойчивости надтоннельного грунтового массива.
Цель расчета
Цель расчета тоннельной обделки заключается в следующем:
- определить напряженно-деформированное состояние грунтового массива, вмещающего тоннель, на всех этапах строительства;
- определить усилия и деформации тоннельной обделки;
- определить требуемую по расчету толщину и армирование элементов обделки.
В случае, если тоннель сооружается с использование временной крепи, то её также необходимо учитывать в расчете. В целом, современная концепция тоннелестроения разделяет обделку тоннеля не на временную и постоянную, а на первичную и вторичную, что более правильно. Суть заключается в том, что первичная обделка, вторичная обделка и грунтовый массив работают совместно, и все вопросы расчета и проектирования необходимо решать с учетом этого важнейшего факта.
Расчет элементов обделки по материалу
После определения усилий, расчет толщины и армирования железобетонных обделок тоннеля выполняется в соответствии с СП 35.13330.2011 и СП 63.13330.2018. При этом элементы тоннельной обделки как правило рассматриваются как внецентренно сжатые или изгибаемые элементы.
Выполняя расчет обделки тоннеля по материалу, важно строго следовать пунктам соответствующих нормативных документов и учитывать дополнительные коэффициенты, предусмотренные тоннельными нормами.
Программные комплексы «научились» достаточно точно определять усилия в элементах конструкций, однако, к сожалению, при выполнении расчетов сечений возникают неточности, которые могут приводить к аварийным ситуациям, поэтому данные расчеты рекомендуется проверять расчетами «вручную».
Учет сейсмических воздействий в расчетах
Расчет на особое сочетание нагрузок, включающее сейсмические воздействия по различным направлениям, выполняется в соответствии пунктом 5.4.3.5 СП 122.13330.2012. Согласно этому пункту, проектирование подземных конструкций, расположенных в сейсмических районах, следует выполнять в соответствии с ВСН 193-81/Минтрансстрой «Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей». В соответствии с пунктом 4.8 ВСН 193-81 учет сейсмических воздействий при расчетах тоннелей может быть выполнен на основании решения плоской квазистатической контактной задачи.
Квазистатический подход предполагает, что вызванные землетрясением силы представляются в виде сил инерции, приложенных статически. Ускорение грунта принимается как горизонтально направленным, так и с наклоном вектора сейсмического воздействия к горизонтальной плоскости под углом α.
Достаточно подробно вопросы расчета обделки тоннеля на сейсмические воздействия освещены в этом пособии.
Учет существующих сооружений
Достаточно часто либо тоннель сооружается вблизи существующих сооружений, либо рядом с тоннелем возводится объект нового строительства. В каждом из этих случаев в расчетах необходимо учитывать фактор взаимовлияния. Как правило, в таких случаях выполняется геотехнический прогноз, в ходе которого производится оценка влияния нового строительства на существующие объекты.
Учет взрывных воздействий
В ряде случаев при расчете обделки тоннеля необходимо учитывать взрывные воздействия. Причем, в зависимости от специфики объекта, источник взрывных воздействий может быть как внутри тоннеля, так и снаружи.
Учет взрывных воздействий выполняется в соответствии с СП 296.1325800.2017 «Здания и сооружения. Особые воздействия». Для защитных сооружений гражданской обороны разработано это пособие.
Заказать расчет обделки тоннеля
geoprognoz.rf@gmail.com
+7 (953) 879-38-29
Выполним расчет обделок тоннелей на любые нагрузки и воздействия с учетом сложных инженерно-геологических условий.