Обделки из чугунных тюбингов

В соответствии с действующими в стране нормами проектирования чугунную обделку рекомендуется применять в неустойчивых обводненных грунтах. В устойчивых грунтах ее можно рекомендовать при гидростатическом напоре более 0,1 МПа, либо в необводненных грунтах, если вблизи тоннеля толща водоупорных грунтов не достаточна для защиты обделки от подземных вод, а также в случае существенной неравномерности нагрузок на обделку.

В настоящее время сборные обделки из чугунных тюбингов применяются, в основном, на участках тоннелей, сооружаемых в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях. В относительно благоприятных геологических условиях такие обделки применяют, например, на участках примыкания перегонных тоннелей метрополитена к сооружениям станционного комплекса, в местах сопряжения обделок тоннелей с другими подземными сооружениями и т.п.

 
 

Чугунная обделка представляет собой цилиндрическую трубу, состоящую из последовательно собираемых по мере продвижения забоя колец (рис.2.1,а). Кольца одинакового типа и размера состоят из элементов коробчатого сечения — тюбингов.

Тюбинг (рис.2.1,б) состоит из оболочки (2), называемой спинкой тюбинга, окаймляющих спинку ребер жесткости, называемых бортами тюбинга (4) и промежуточных кольцевых (1) и радиальных (7) ребер жесткости, обращенных внутрь тоннеля. В бортах тюбингов расположены отверстия (3) для соединения болтами тюбингов в кольцо и колец между собой.

Наружный диаметр обделки Dн определяется основным параметром тюбинга — высотой кольцевого борта hб. Высоту борта устанавливают в зависимости от внутреннего диаметра обделки Dвн и требуемой ее несущей способности.

Для чугунных обделок диаметром Dвн=(5,1÷5,6)м, сооружаемых в неустойчивых водоносных грунтах при значительных нагрузках на конструкцию высоту борта можно принять предварительно hб = (0,03 ÷ 0,04)Dвн, в устойчивых — (0,025 ÷ 0,03)Dвн. Например, для чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитена, работающих в условиях значительных нагрузок (вертикальная нагрузка до 1,7 МПа при коэффициенте бокового давления грунта λ = 0,6 ÷ 0,8) высота борта принята 200 мм. Для этих же обделок, но сооружаемых в устойчивых грунтах при наличии напорных грунтовых вод, высоту борта тюбинга можно уменьшить до 150 мм. Такой тип чугунной обделки называют облегченной.

 
 

Для чугунных обделок железнодорожных и автодорожных тоннелей, а также станционных обделок метрополитена диаметром более Dвн=8м высоту борта можно принять предварительно hб = (0,04 ÷ 0,045)Dвн. Так, например, для чугунных обделок диаметром Dвн=(8 ÷ 9)м высота борта принята 350 мм (рис.2.2 и 2.3).

Ширину кольца тюбинговой обделки в направлении оси тоннеля bк определяют, главным образом, в зависимости от устойчивости грунтов и диаметра тоннеля. Чем устойчивее грунт в забое и чем меньше диаметр обделки, тем больше может быть принята ширина кольца. В мировой практике при строительстве тоннелей используют чугунные тюбинговые обделки шириной от 0,5 до 1,2 м. Следует отметить, что с увеличением ширины кольца при одинаковой длине тоннеля, уменьшается число монтажных единиц обделки, а, следовательно, количество болтов и протяженность стыков, подлежащих гидроизоляции. Ширина кольца определяет массу элементов и, как следствие, грузоподъемность механизмов для монтажа обделки. Исходя из указанных соображений, в нашей стране наибольшее распространение получили чугунные тюбинговые обделки с шириной кольца bk, равной 0,75 и 1 м.

После того, как основные параметры кольца обделки установлены, приступают к разбивке кольца по периметру на основные элементы — тюбинги. Число тюбингов в кольце назначают с учетом технологии их изготовления, удобства транспортировки и монтажа. Существующая технология изготовления чугунных тюбингов гарантирует качество изделия при длине 2 000 мм. При такой длине тюбинга и ширине кольца 1 м масса элемента не превосходит 600 кг, что позволяет их легко транспортировать и

 
 

производить механизированный монтаж обделки в забое выработки или за проходческим щитом.

Для того чтобы иметь возможность завершить монтаж кольца (замкнуть кольцо) изнутри необходимо как минимум три типа тюбингов: нормальные "Н", оба продольных борта которых направлены радиально, один ключевой "К" клиновидной формы сечения и два смежных "С". Смежные тюбинги отличаются от нормальных тем, что их продольные борта примыкающие к ключевому тюбингу, скошены. В кольцах типовых обделок диаметром Dвн= 5,1 м насчитывается 10-11 тюбингов, диаметром Dвн= (7,8 – 8,8) м - 16-17 тюбингов (см. рис. 2.1 и 2.2).

Тюбинги обделки соединяют друг с другом в кольцо и кольца между собой на болтах. Болты, устанавливаемые по поперечным (кольцевым) бортам, выполняют функцию монтажных соединений. Их располагают в один ряд с постоянным шагом по периметру кольца. Эти болты вступают в работу лишь при значительных прогибах всей обделки вдоль тоннеля, возникающих при резком изменении нагрузок или деформационных характеристик грунта в основании тоннеля. Кроме того, болты по кольцевым бортам тюбингов обеспечивают плотное прижатие колец обделки друг к другу, тем самым за счет трения в кольцевых стыках исключается относительное смещение колец в вертикальной плоскости (эффект «клавиш») в слабых водонасыщенных грунтах.

Для увеличения жесткости сборной обделки кольца следует укладывать с перевязкой продольных (радиальных) стыков. Для этого ключевой тюбинг в монтируемом кольце смещают влево или вправо по отношению к предыдущему кольцу, так, чтобы тюбинги двух соседних колец играли роль накладок в стыках (см. вид А на рис. 2.1, а).

Болты в продольных стыках являются рабочими и должны быть рассчитаны на восприятие действующих в кольце усилий. Чтобы не допустить раскрытия стыков внутри или снаружи кольца под действием изгибающих моментов переменного знака, эти болты следует располагать в два ряда в шахматном порядке.

После того, как установлена принципиальная схема сборного кольца обделки, габаритные размеры составляющих его элементов и характер связей между ними можно перейти к детальной проработке конструкции тюбинга.

Прежде всего, уточняют форму и размеры поперечного (рабочего) сечения тюбинга (рис. 2.1, в). Для повышения жесткости и несущей способности обделки, имеющей достаточно большую ширину кольца, целесообразно площадь и момент инерции тюбинга увеличить за счет дополнительного кольцевого ребра, расположенного в середине тюбинга.

Толщину кольцевых и радиальных бортов, а также среднего ребра тюбинга в местах их сопряжения со спинкой назначают из условия достаточной жесткости соединения и принимают предварительно d2=(0,25 ÷ 0,30)hк, где hк ‑ высота консольной части борта, равная hк=hб ‑ d1. Толщина спинки тюбинга d1 диктуется условиями долговечности и технологическими особенностями качественного литья и должна быть не менее 20 ÷ 30 мм. Спинка работает при разных сочетаниях нагрузок как плита, защемленная по контуру. Свободную площадь такой плиты можно уменьшить, если между кольцевыми бортами тюбинга (8) поставить промежуточные радиальные (продольные) ребра (7) (см. рис. 2.1, б). Радиальные ребра дополнительно будут усиливать жесткость бортов и всего тюбинга в целом. Это особенно важно при щитовой проходке, когда в кольцевые борта упираются штоки гидроцилиндров щита.

return false">ссылка скрыта

Диаметр отверстий (3) в радиальных и кольцевых бортах тюбингов следует принять на 3 ÷ 4 мм больше диаметра болтов, что облегчит монтажные работы. Обычно для соединения применяют болты М27х120 (для обделок диаметром 5,5-6м) и М32 (для обделок диаметром 8,5-9,5м) из стали марки ВСт 3 кп.

С целью снижения расхода чугуна в грунтах, обладающих упругим отпором, целесообразно применять обделки переменной жесткости: верхние тюбинги следует принять более жесткими, а нижние, где изгибающие моменты, как правило, невелики — облегченными. Облегченные тюбинги отличаются уменьшенной толщиной бортов и среднего кольцевого ребра. Это позволит снизить расход чугуна в кольце примерно на 10 ÷ 12 %.

Для производства нагнетания за обделку цементно-песчаного раствора в спинке каждого тюбинга (за исключением ключевого), предусмотрено нарезное отверстие (6), в котором будет закрепляться инъектор.

На заключительной стадии конструирования чугунной тюбинговой обделки необходимо продумать вопрос о ее гидроизоляции.

Чугунные тюбинги водонепроницаемы, но сборная обделка пропускает воду в тоннель через швы между тюбингами, болтовые отверстия и отверстия для нагнетания. Наиболее простым и эффективным решением, обеспечивающим герметезацию стыков, является устройство фальца (5) по всему периметру тюбинга шириной 5-6мм и высотой 30-33мм. При монтаже фальцы колец двух соприкасающихся тюбингов образуют желобок (чеканочную канавку), в котором размещается гидроизолирующий материал. Болтовые отверстия с внутренней стороны борта должны иметь фаску для размещения гидроизоляционной шайбы и лучшего ее уплотнения при затяжке болта. В отверстие для нагнетания ввинчивается металлическая пробка.

С целью совершенствования конструкции чугунной обделки и сокращения затрат на устройство откаточных путей и очистку лотка, в состав обделки может быть включен плоский лотковый железобетонный блок. Конструкция такой обделки приведена в [1, 3].

Дальнейшее совершенствование чугунной обделки возможно путем замены обычного серого чугуна высокопрочным чугуном. Замена серого чугуна высокопрочным позволяет при одинаковой несущей способности обделки сократить расход металла на 35 ÷ 40 %. Тюбинги изготавливают из высокопрочного чугуна марки ВЧ по экологически чистой технологии: литьем в металлические многократно используемые формы — кокильным литьем. По геометрическому очертанию кольца из серого и высокопрочного чугуна взаимозаменяемы (см. таблицу рис. 2.1).

Технические характеристики чугунных тюбинговых обделок различных диаметров, применяемых в отечественном тоннелестроении, приведены в таблицах на рис. 2.1 и 2.2.

На криволинейных в плане и профиле участках трассы тоннелей, собираемых из колец постоянной ширины, в конструкцию обделки вводятся дополнительные элементы. Один из возможных вариантов – это применение клиновидных (угловых) колец, поперечные грани которых не параллельны. Различное расположение клиновидных колец между нормальными кольцами позволяет вести трассу тоннеля по кривым разных радиусов и направлений. В другом варианте между нормальными кольцами обделки в поперечные швы устанавливают чугунные клиновидные прокладки переменной толщины (от 40 до 95 мм), которые, будучи собраны в кольца по определенной схеме, позволяют вписаться в любое направление трассы.


Новый шаг в развитии отечественного тоннелестроения – конструкция обделки из чугунных тюбингов с резиновыми уплотнительными прокладками в стыках. Кольцо обделки наружным диаметром 5,5 м выполнено из чугуна СЧ-20 и состоит из десяти нормальных тюбингов "Н" и двух клиновых "К" с односторонним скосом, направленных навстречу друг другу (рис. 2.4).

Используется одно универсальное кольцо для прямых участков и участков на кривых. Ширина кольца меняется от 980 мм до 1020 мм. Кольцо может быть повернуто на 1800 относительно вертикальной оси. В зависимости от положения, кольца являются правыми или левыми, соответственно, замковым является тот или иной ключевой блок. Благодаря этому при любом направлении поворота трассы тоннеля ключевые блоки могут располагаться выше горизонтального диаметра. Ключевой блок задвигается щитовым домкратом с торца обделки.

Чугунная обделка имеет болтовые соединения между тюбингами в кольце и между кольцами. Предусмотрена перевязка продольных швов. На бортах тюбингов предусматриваются пазы для размещения упругого герметизирующего уплотнителя и чеканочные канавки. Допуски на точность изготовления и качество поверхностей тюбингов назначаются исходя из требований обеспечения герметичности, отсутствия зазоров в стыках собранного кольца. В частности, допуск по длине собранного кольца составляет ±0,6 мм, по диаметру ±10 мм.

Применение конструкций обделок из чугунных тюбингов с резиновыми уплотнительными прокладками в стыках экономически целесообразно при проходке тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях при высоких напорах воды, в зонах тектонических разломов, проводящейся с использованием современных тоннелепроходческих комплексов с грунтовым или бентонитовым пригрузом забоя.