Железобетонные блочные обделки

В устойчивых грунтах естественной влажности необходимость в применении жестких недеформируемых обделок отпадает. В таких условиях целесообразно использовать блочную железобетонную обделку. Блоки, составляющие кольцо обделки, свободно (шарнирно) опираются в продольных стыках. В блочной обделке изгибающие моменты сведены до минимума, и бетон работает преимущественно на сжатие. Это проявляется тем эффективнее, чем больше блоков в кольце и чем меньший эксцентриситет передачи сжимающих усилий обеспечивает конструкция стыка.

Высота сечения блока h_б блочной железобетонной обделки зависит от количества блоков в кольце, типа продольных стыков и т.п. На основе опыта проектирования высота блока, предварительно, может быть задана для обделок перегонных тоннелей метрополитена диаметром D_вн=(5,1÷5,6)м равной h_б = (0,04 ÷ 0,05)D_вн, для обделок железнодорожных и автодорожных тоннелей диаметром более D_вн= 8м высоту блока можно

принять h_б = (0,045 ÷ 0,055)D_вн.

При разработке конструктивных решений блочных железобетонных обделок тоннелей необходимо рассмотреть возможные вариации отмеченных выше параметров (см. рис. 2.5).

· Форма и ширина кольца обделки. Торцевые плоскости колец могут быть образованы либо параллельными плоскостями, тогда это - прямое кольцо, либо непараллельными плоскостями, тогда это – клиновидное или угловое кольцо (рис.2.8,а). Клиновидное кольцо может быть с левым, правым или с двухсторонним скосом. В последнем случае кольцо называют универсальным. Величина скоса d определяется как разность максимальной и минимальной ширины кольца и может достигать 30-40мм.

В современной мировой практике тоннелестроения предпочтение отдают блочным железобетонным обделкам из универсальных клиновидных колец (рис.2.8,б). Геометрия универсального кольца предусматривает три степени свободы перемещения при монтаже. Это позволяет использовать такие кольца как на прямых, так и на криволинейных в плане и профиле участках трассы. Уместно отметить, что конструкция универсального клиновидного кольца, в отличие от прямого, приводит к необходимости использования индивидуальной опалубки для изготовления каждого блока кольца.

Ширину колец железобетонной обделки b_k назначают в зависимости от диаметра тоннеля, с учетом производственных требований. К этим требованиям относятся: соответствие ширины кольца заданной длине хода гидроцилиндров щита, согласованность циклов проходки и монтажа обделки, а также соответствие размеров и массы блоков подъемно транспортному и монтажному оборудованию в тоннеле. В отечественной практике наибольшее распространение получили железобетонные сборные обделки шириной 0,5; 0,75 и 1,0 метр.

· Количество блоков в кольце. Вопрос об оптимальном количестве блоков в кольце сборной железобетонной обделки решается с учетом двух факторов: статической работы обделки и производственно-технических условий ее изготовления и возведения. В процессе совершенствования блочных железобетонных обделок в отечественной и зарубежной практике было выявлено, что величина изгибающих моментов в блоках железобетон­ной обделки быстро падает с увеличением числа блоков до 5 (или 6 шарниров в кольце обделки), после чего уменьшается незначительно. Следовательно, расход арматурной стали существенно снижается только при разбивке кольца на 5 блоков. При большем их числе потребность в арматуре сокращается весьма незначительно.

Однако с увеличением числа блоков в обделке существенно повышается ее деформативность. Кроме того, практика строительства показала, что при возведении мелкоблочной обделки не удается обеспечить ее геометрическую неизменяемость после передвижки щита. Добавим к этому, что большое число блоков в обделке увеличивает трудозатраты на монтаж и гидроизоляцию продольных стыков. Руководствуясь вышеприведенными соображениями, в кольцо обделки перегонных тоннелей рекомендуется включать 7 – 9 блоков, в кольцо обделок диаметром более 8,5м - 10 – 14 блоков.

·Геометрия блока, тип поперечного сечения.Блоки железобетонной обделки в плане могут иметь форму прямоугольную, трапециевидную или в виде параллелограмма. Замыкание кольца производят продольным ключевым блоком, вдавливая его в торцевую плоскость кольца щитовыми гидроцилиндрами. Для обеспечения возможности замкнуть кольцо этим последним блоком, между гидроцилиндрами и кольцом должно быть дополнительное пространство. Как правило, при щитовой проходке этого пространства недостаточно, поэтому для замыкания кольца, состоящего только из блоков прямоугольной формы, используют ключевые элементы из двух-трех коротких блоков. Если кольцо замыкать одним блоком клиновидной формы, то соседним с ключевым блокам необходимо придать трапециевидную форму (рис. 2.9, а).

Кольцо обделки, состоящее только из блоков в форме трапеции, замыкается без ключевого блока (рис. 2.9, б). Блоки крепятся к ранее уложенному кольцу при помощи нагелей в кольцевых стыках. Такие обделки разработаны для сооружения тоннелей при непрерывной проходке механизированными щитовыми комплексами. Конструкция обделки допускает непрерывное передвижение щита в процессе монтажа обделки. Кольцо обделки включает четное количество блоков. Половину блоков (четные) укладывают с промежутками, равными длине блока, широкой стороной к ранее уложенному кольцу. Блоки прижимаются к этому кольцу гидроцилиндрами щита и фиксируются в проектном положении посредством сталеполимерных дюбелей системы «CONEX» (описаны ниже), расположенных по торцевым стыкам каждого блока. Затем между ними вдавливают остальные (нечетные) блоки, развернув их к ранее уложенному кольцу узкой стороной. Монтаж кольца обделки ведется одновременно с продвижением щита с последовательным переключением его гидроцилиндров на четные и нечетные блоки кольца. Аналогичным образом ведется монтаж кольца, состоящего из блоков в форме параллелограмма и трапеции.

В поперечном сечении конфигурация блоков в значительной степени связана с конструкцией устройств, предназначенных для фиксирования положения блоков до замыкания кольца. Поскольку блоки в кольце работают преимущественно на сжатие, их поперечное сечение целесообразно принять сплошным или для облегчения массы блока ребристым. Блоки сплошного сечения снабжены небольшими углублениями, предназначенными для установки соединительных деталей при сборке обделки (болты, нагели, нарезные шпильки и т.п.). Обделка из ребристых блоков, эквивалентная по площади поперечного сечения и моменту инерции блокам сплошного сечения, требует большего диаметра выработки.

· Тип продольных и поперечных стыков и связей между элементами обделки.Одним из основных вопросов проектирования блочной железо­бетонной обделки является вопрос о конструкции продольных стыков между блоками в кольце. Эти стыки, находясь под влиянием различного рода нагрузок и воздействий, должны воспринимать усилия сжатия, изгибающие моменты, (хотя их действие и уменьшается в непосредственной близости от радиального стыка), и поперечные силы. Отсюда следует, что рациональным будет такой тип соединения блоков в кольце, который при гарантированной прочности и трещиностойкости блоков по площадкам смятия даст возможность ограниченного взаимного поворота блоков, обеспечит центрированную передачу усилий и проектное положение блока в кольце при монтаже обделки.

Перечисленным требованиям в той или иной степени отвечают распространенные в настоящее время плоские и цилиндрические продольные стыки (рис. 2.10). Названия стыков соответствуют очертанию поверхности торцов соприкасающихся блоков.

Плоский продольный стык (рис. 2.10, а) обеспечивает наибольшую площадь площадки смятия, однако при неравномерном нагружении обделки стыки раскрываются, что приводит к значительному эксцентриситету передачи сжимающих усилий, и поэтому практически неизбежны сколы бетона по внешней грани блока. Для снижения вероятности появления указанного дефекта внешние грани торцов блоков выполняют скошенными, закругленными и т.п. С этой же целью в продольные торцы блоков при их изготовлении вкладывают упругопластичные винипластовые прокладки (рис.2.10,б). В проектном положении блоки фиксируются относительно друг друга металлическими шпильками, устанавливаемыми при монтаже кольца.

Простотой, технологичностью и высокой точностью установки при монтаже обделки характеризуются плоские стыки с соединением типа “гребень‑паз” (рис. 2.10, в). На торце одного блока устроен полуцилиндрический выступ (или несколько коротких), а на торце другого — полуцилиндрический паз (или несколько пазов, длина и число которых соответствуют выступам на торце смежного блока). К недостаткам такого соединения следует отнести увеличение эксцентриситета передачи сжимающих усилий и сокращение площадки смятия из-за строительного зазора между

выступом и пазом.

Эти недостатки в значительной мере устраняются, если соединение блоков в продольных стыках выполняют с помощью цилиндрического полихлорвинилового вкладыша (рис. 2.10, г), сжимаемого при монтаже.

В отечественной практике тоннелестроения нашли применение также обделки с цилиндрическими продольными стыками, которые обеспечивают минимальный эксцентриситет передачи сжимающих усилий и практически исключают скалывание бетона на соприкасающихся поверхностях (рис. 2.10, д, е).

Из-за наличия шарниров в продольных стыках и отсутствия связей между кольцами сборная железобетонная обделка обладает повышенной деформативностью. При возведении обделок большого диаметра, особенно в слабых малосвязных грунтах это может явиться причиной нарушения гидроизоляции швов и неравномерной осадки колец по длине тоннеля. Поэтому в таких условиях блоки обделки соединяют между собой дополнительными связями растяжения в стыках, обеспечивающими геометрическую неизменяемость кольца при сходе его с оболочки щита, а также устойчивость обделки под воздействием внешних нагрузок, в том числе и от сейсмического воздействия. Для возможности установки болтовых связей в теле блоков должны быть предусмотрены местные углубления (рис. 2.11). Болтовые соединения обеспечивают предварительное обжатие упругих уплотнителей в стыках. Для повышения жесткости обделки преду

смотрена перевязка радиальных швов соседних колец путем поворота одного из них на половину длины блока.

Повышенная жесткость отдельных колец и всей обделки в направлении продольной оси тоннеля может быть обеспечена жесткими соединениями блоков в углах на накладных металлических пластинах. Впоследствии такие стыки омоноличивают. Блочные обделки со связями растяжения в стыках эффективно работают в условиях сейсмических воздействий.

Типы поперечных стыков между кольцами приведены на рис. 2.12.

В мировом тоннелестроении широко распространены блочные обделки со связями между кольцами. Блоки в кольцевых (поперечных) стыках обделки могут быть соединены металлическими шпильками, которые вдавливают в пластмассовые дюбели, размещенные в отверстиях по кольцевому борту блоков. Благодаря сочетанию такого соединения со шпоночным трапециевидным стыком «гребень-паз» достигается достаточная продольная жесткость обделки (рис. 2.12, а). Для обделок, обеспечивающих непрерывную щитовую проходку более приемлем плоский кольцевой стык с пластмассово-металлическими дюбелями (системы «СОNЕX»), действующими по принципу двухстороннего гарпуна и способными в определенных пределах воспринимать растягивающие усилия между кольцами (рис. 2.12, б).

Стык смежных колец с монолитной цилиндрической шпонкой по окружности кольца (рис. 2.12, в) формируется нагнетанием цементно-песчаного раствора в кольцевой цилиндрический канал, образованный полуцилиндрическими пазами на радиальных торцах блоков. Недостатком такого соединения является отсутствие гарантий качественного исполнения работ из-за возможного изменения поперечного сечения кольцевой шпонки по окружности кольца. Это изменение может быть следствием смещения блоков при монтаже, а также недостаточно качественного заполнения раствором цилиндрической канавки. Наиболее перспективен стык смежных колец обделки с прерывистой пластмассово-металлической шпонкой, разработанный отечественными специалистами (рис. 2.12, г). Прерывистое шпунтовое соединение типа «гребень‑паз» создают пластмассово-металлические шпонки, закрепляемые на клею в отдельных полуцилиндрических канавках ограниченной длины.

В отечественной практике нашли применение также обделки с болтовыми связями между кольцами, что позволяет обеспечить продольную жесткость конструкции в разнородных грунтах (см. рис. 2.11).

Блочные шарнирные железобетонные конструкции, например унифицированные обделки, обжатые на грунт обделки, выполняют без связей между кольцами, что обеспечивает возможность свободного поворота блоков в кольце.

·Герметизация обделки. Герметизация сборной железобетонной обделки достигается за счет обеспечения водонепроницаемости самих блоков и гидроизоляции стыков. Водонепроницаемость блоков достигается применением для их изготовления бетонов с заданной маркой по водонепроницаемости W, соответствующей ожидаемому гидростатическому давлению. Водонепроницаемость стыков обеспечивается чеканкой кольцевых и радиальных швов специальными мастиками или установкой профильных герметизирующих уплотнителей между блоками.

Чеканку швов блочной обделки выполняют специальным уплотняющим материалом – замазкой из водонепронецаемого расширяющегося цемента (ВРЦ), гипсоглиноземистого цемента, монофлекса или специальных безусадочных уплотняющих составов (БУС, СБС).

Сжимаемые профильные герметезирующие уплотнители из неопрена закрепляются в канавке, устроенной по всему периметру блока у его внешней поверхности (рис. 2.13).

Герметичность обделки обеспечивается за счет сжатия профильного элемента между торцами блоков в период монтажа обделки. Этому способствует также свойство материала разбухать под воздействием воды. Профильный элемент должен удерживаться в сжатом состоянии в течение всего срока эксплуатации сооружения. Кольца обделки с профильными элементами гидроизоляции по периметру блоков следует укладывать с перевязкой радиальных (продольных) стыков, для того, чтобы уменьшить риск нарушения герметичности обделки в углах блоков.

· Способ включения обделки в совместную работу с грунтовым массивом. К характерным признакам, определяющим тип сборных обделок, следует отнести и способ включения обделки в совместную работу с грунтовым массивом, или, другими словами, способ ликвидации зазора, образующегося между наружной поверхностью сборной обделки и поверхностью выработки. Зазор ликвидируют одним из двух способов: заполнением цементно-песчаным или специальными растворами или разжатием собранных в кольцо блоков обделки на грунтовый массив с помощью разного рода приспособлений и устройств.

Во втором способе в узлах обделки, где располагают устройства для разжатия, требуются соответствующие конструктивные изменения. Такую сборную обделку по способу ее включения в работу называют обделкой, обжатой на грунт. Кольцо такой обделки, смонтированное под защитой оболочки щита, плотно прижимают к контуру выработки, как только после передвижки щита оно выйдет за пределы оболочки. Это обеспечивает немедленное включение обделки в работу с окружающим массивом, предупреждает осадки поверхности земли, исключает необходимость первичного нагнетания раствора за обделку.

Очевидно, что применение обжатых в грунт обделок рационально в таких условиях, когда при проходке может быть создан гладкий контур выработки правильной круговой формы и обеспечена ее устойчивость за пределами оболочки щита на период разжатия кольца. Этим условиям соответствует сооружение тоннелей механизированными щитами в суглинках, пластичных или плотных глинах. Возводить обделку с обжатием в грунт возможно и при проходке обычными щитами, но при условии тщательного оконтуривания выработки ручными инструментами или при частичном срезании грунта ножевой частью щита во время его передвижения.

Методы обжатия обделки весьма разнообразны. Наибольшее распространение получили методы обжатия вдавливанием в кольцо щитовыми гидроцилиндрами трапециевидных (клиновых) блоков или разжатия кольца специальными домкратами (рис. 2.14).

В первом случае (рис. 2.14, а) функции распорного элемента, фиксирующего разжатое положение кольца, выполняют клиновые блоки, а во втором (рис. 2.14, б, в, г) — зазор между раздвинутыми с помощью гидроцилиндров блоками фиксируется различного рода вкладышами или жестким бетоном.