автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Эффективные конструктивные параметры облегченных чугунных обделок тоннелей метрополитенов

На правах рукописи

Мосолов Денис Александрович

ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЧУГУННЫХ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ1Т6423

003176423

На правах рукописи

Мосолов Денис Александрович

ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЧУГУННЫХ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Специальность 05.23.11 — «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Научный руководитель

Кандидат технических наук Антонов Олег Юрьевич

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, проф Демешко Евгений Андреевич

Кандидат технических наук Пильч Юрий Борисович

Ведущая организация ООО «Метро-Стиль 2000»

Защита состоится «7» декабря 2007 года, в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 303 018 01 при ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу 129329, г Москва, ул Кольская, д 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан «7» ноября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Петрова Ж. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы определяется необходимостью теоретического обоснования и определения основных конструктивных параметров чугунных тюбингов облегченных тоннельных обделок повышенной прочности, предназначенных для строительства перегонных и станционных тоннелей отечественных метрополитенов, призванных заменить устаревшие, металлоемкие, не отвечающие ряду требований современных норм серийные конструкции обделок перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей отечественных метрополитенов

Цель работы - определение эффективных параметров тюбингов тоннельных обделок из чугуна повышенной прочности Под эффективными в работе понимаются геометрические параметры (размеры и толщины рабочих круговых и радиальных ребер, спинки, диафрагм и т п), обеспечивающие максимальное уменьшение массы обделки без снижения ее несущей способности

В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд основных задач

провести анализ экспериментальных и натурных исследований и стендовых испытаний чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитенов (серийной — Лентрублит) и облегченной конструкции повышенной прочности, разработать методику определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности,

провести математическое моделирование напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец облегченной чугунной обделки с применением метода конечных элементов

В ходе математического моделирования изучить

» восприятие рабочими ребрами и диафрагмами тюбингов давления щитовых домкратов с определением условий установки распорок в монтажный период,

■ пространственную работу спинки тюбинга,

■ устойчивость ребер и спинки тонкостенной конструкции тюбинга,

■ влияние на напряженно-деформированное состояние тюбингов связей растяжения (болтов) в радиальных (рабочих) стыках,

на основании полученных результатов исследований и расчетов откорректировать и обосновать конструктивные параметры облегченной чугунной обделки ЦНИИС (Ч-51А-НСК-10) как унифицированной конструкции перегонных тоннелей отечественных метрополитенов,

на основе детально обоснованной конструкции обделки 4-51А-НСК-10 для перегонных тоннелей и методики определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок, разработать конструкции обделок станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена

Метод исследований напряженно-деформированного состояния обделки, элементов и узлов тюбингов с учетом пластических свойств чугуна - математическое моделирование Экспериментальные исследования облегченной чугунной обделки повышенной прочности - испытание на кольцевом стенде ЦНИИС и в производственных условиях Результаты проведенных расчетов

сопоставлялись с данными результатов испытаний

Научная новизна работы заключается в следующем

- проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования пространственной работы элементов облегченного чугунного тюбинга с учетом упруго-пластической работы материала (на воздействие щитовых домкратов, на воздействие на спинку тюбинга давления от нагнетания, работа стыка обделки с учетом болтового соединения),

- разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок,

- разработаны конструкции обделок для станционных и эскалаторных тоннелей отечественного метрополитена

Практическая значимость данной работы заключается в возможности получения, на основе разработанной автором методики и проведенных исследований на математических дискретных моделях, новых облегченных конструкций чугунной обделки тоннелей метрополитенов

Проведенные исследования и использование методики позволили автору научно обосновать эффективные (т е менее металлоемкие) конструктивные параметры чугунных обделок, при сохранении требуемой несущей способности конструкции

Достоверность полученных результатов определяется

- строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований,

- учетом требований действующих нормативных документов,

- высокой сходимостью результатов расчетов по математическим моделям с натурными испытаниями облегченной обделки повышенной прочности

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены

- На Н-й Международной конференции "Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений", г Екатеринбург, 2007 г

- На Международной научно-технической конференции "Освоение подземного пространства городов преодоление сложных геологических и градостроительных условий", г Москва, 2007 г

- на заседаниях секции НИЦ "Тоннели и метрополитены" Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2005-2007 гг

Реализация результатов Результаты работы использованы при проектировании конструкций сборных облегченных чугунных обделок для перегонных тоннелей (Д„/Дв = 5,46/5,1 м), станционных и эскалаторных тоннелей, а также для теоретического обоснования и расчетов перспективных конструкций обделок перегонных тоннелей с шарнирными стыками и обделок равного сопротивления

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованной литературы Общий объем работы 231 стр, включая 101 иллюс фацию и 44 таблицы Ссылки даны на 113 источников

Автор выражает благодарность научному руководителю к т н О Ю Антонову, коллективам лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС и Научно-исследовательской и проектно-изыскательской лаборатории «Основания и фундаменты» кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» Южно-Уральского государственного университета за помощь при проведении исследований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлена задача исследования

В первой главе диссертации дается анализ современного состояния применения чугунных обделок в тоннелестроении и методов их расчета Проанализированы конструктивные особенности серийных и облегченных обделок для перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей, изготовленных из рядового серого чугуна марки СЧ20 и чугуна повышенной прочности марки СЧ35 (СЧЗО) В работе дан подробный обзор результатов исследований и работ по совершенствованию чугунных обделок тоннелей, проведенных в нашей стране и за рубежом (Англия, Франция, Германия, Япония)

Большой вклад в развитие и совершенствование конструкций и методов расчета чугунных тоннельных обделок внесли Антонов О Ю , Афендиков JI С , Баклашов И В , Безродный К П , Бурдзгла Н JI, Бурштейн В J1, Булычев Н С , Виноградов Ю Н , Виноградов Б Н , Воробьев J1А , Власов С Н , Гарбер В А , Демешко Е А , Картозия К В , Крук Ю Е , Маковский В Л , Маковский Л В, Меркин В Е , Орлов С А, Руппенейт К В , Чеботаев В В , Фотиева Н Н , Якобе В В , Шапошников Н Н , Lux К Н , Muller К Н , Flaxman Е W

В настоящее время чугунная тоннельная обделка является конструкцией, отвечающей всем требованиям, предъявляемым к конструкциям подземных сооружений, что определило возможность повсеместного применения чугунных обделок, включая особо тяжелые инженерно-геологические условия заложения тоннелей Практически единственным недостатком чугунных обделок принято считать их большую металлоемкость и, вследствие этого - относительно высокую стоимость

В структуре стоимости чугунной обделки, при обработке тюбингов на специализированном станочном оборудовании, стоимость обработки не превышает 15%*, а 85% - чугунное литье, те прямой путь снижения стоимости (и материалоемкости) данной продукции - уменьшение массы тюбингов Напрямую от облегчения тюбингов зависит и общая стоимость строительства перегонов и станций метро, в которой до 70% (для перегона) и более 60% (для станций) составляет стоимость обделки

В отечественном метростроении чугунные тюбинги диаметром 6 м, шириной кольца 0,75 м и массой 8 тонн (9,3 тонны на метр тоннеля) устанавливались на второй очереди строительства Московского метрополитена В последствии ширина кольца была увеличена до метра, диаметр уменьшен до 5,5 м, в тюбингах появилось среднее кольцевое ребро, и расход чугуна снижен до 5,9 - 6,3

тонны В таком виде с начала 50-х годов прошлого века обделки дошли до наших дней- это конструкции завода «Лентрублит» диаметром Дн/Дв=5,49/5,1 м и завода «ДЗМО» (Днепропетровский завод металлургического оборудования) диаметром Д„/Дв=5,5/5,1 м

Принципиальной разницы между ними нет в последней 11 тюбингов в кольце (против 10 в обделке «Лентрублита») и незначительно увеличена толщина элементов тюбинга Лишний тюбинг, как удалось установить, появился по требованию завода «ДЗМО», имевшего более короткие опоки, а утолщения -для гарантии «пролива» металла в спинку и диафрагмы тюбинга При этом уменьшился минимальный момент сопротивления сечения и увеличился максимальный, что в итоге привело к увеличению растягивающих напряжений в критических сечениях обделки (в шелыге свода) и снижению максимальной расчетной нагрузки на обделку

Обделки для станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена также с начала 50-х годов прошлого века существенно не изменились - это типовые конструкции диаметрами Дн/Дв=8,5/7,8 и 9,5/8,8 м Они имеют по 16 тюбингов в кольце, ширину кольца 0,75 м, высоту рабочего ребра тюбинга 0,3 и 0,35 м, расход чугуна 15,8 т и 21,9 т на метр тоннеля соответственно

Классический тюбинг - сегмент кольца круговой тоннельной обделки, имеет С или Е-образное поперечное сечение, отливается из серого чугуна марки СЧ20 и работает в кольце на внецентренное сжатие Тюбинги сболчены, т е обделка работает как упругое кольцо в податливой среде, оказывающей на него активное давление и препятствующей его деформациям Исходя из перечисленных конструктивно-технологических параметров обделки, первый прямой путь облегчения конструкции - повышение марки чугуна, второй - радикальная оптимизация работающего на сжатие с изгибом поперечного сечения тюбинга (тюбинг волнового типа с сечением, приближенным к сечению равного сопротивления), третий — разработка чугунного варианта многошарнирной обделки, которую иногда называют «безмоментной», вследствие крайне незначительных изгибающих моментов в сечениях элементов (исключаются растягивающие напряжения, сечение работает в условиях, близких к «чистому сжатию») с максимальным использованием высоких прочностных характеристик серого чугун, расчетные сжимающие напряжения которого втрое выше растягивающих

Все перечисленные направления исследования чугунной тюбинговой обделки перегонных тоннелей и шахт метро (диаметром 5,5/5,1 м) были опробованы в 70-80-х годах прошлого века в научно-исследовательских работах и экспериментальном проектировании в НИЦ «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС (авторы работ Афендиков Л С , Антонов О Ю , Виноградов Ю H , Орлов С А )

Исследования, охватывающие почти все этапы работы обделки, проводились в натурных и стендовых условиях

В ходе исследований были изучены физико-механические свойства серого и высокопрочного чугуна всех заводов, изготавливающих тюбинги для тоннелестроения (Московский механический завод, Днепропетровский завод металлургического оборудования ("ДЗМО"), Ленинградский завод Лен-

трублит, экспериментальный завод института ЦНИИТМАШ). Построены диаграммы сжатия и растяжения для серых чугунов и высокопрочного чугуна марки В4-50, которыми автор пользовался при расчетах с учетом упруго-пластического поведения материала (рис.1).

кг/с м*

10000 9000 8000 7000 6000 сп 5000 го 4000 СП 3000 2000 1000 4 3 2 1

У У сч-з

*

/ /

/

I '

I 1 2 3 4 5 6 7 г ерэНоп 2000 3000 4000 5000 6000

I

V

/ у

Рис. 1- Диаграммы сжатия и растяжения серого и высокопрочного чугунов

По результатам натурных исследований удалось установить, что появление трещин в обделке в значительной степени зависит не только ог величины горного давления, но и от усилий, создаваемых действием щитовых домкратов и нагнетанием.

Ограничениями к снижению металлоемкости конструкций в нашей стране являлись технологические трудности отливки на заводах чугунных тюбингов с толщиной спинки менее 20 мм. Заводы просто отказывались от тонкостенного литья (причина - традиционная технология "литья в землю").

Однако разработанная ЦНИИТМАШЕМ технология и экспериментальные исследования материала (чугуна), элементов (тюбингов) и систем (колец обделки) позволили разработать конструкции шарнирной и бесшарнирной облегченных обделок перегонных тоннелей. Экспериментальные облегченные чугунные обделки, отлитые из высокопрочного чугуна, в том числе и шарнирной конструкции, разработанные в 80-е года прошлого века, показали при испытании высокую несущую способность и трещиностой-кость.

Тонкостенные обделки, которые разработал ЦНИИС, имели толщину

спинок 8-9 мм и вес не более 3-х тонн на кольцо Однако реализовать их не удалось по условиям отливки в заводских условиях, а также взаимозаменяемости новой (из ВЧ50) и серийных обделок (из СЧ20), спинки и ребра при проектировании пришлось утолстить в 1,3 раза, обделка получилась более тяжелой (3,97 т/м), стоимость ее возросла Одновременно, естественно, возросла ее несущая способность по сравнению с серийными конструкциями, в чем по условиям заложения перегонов метро не было необходимости, т е налицо было неэффективное использование свойств ВЧ50

Испытания на стенде облегченной обделки из ВЧ50 показали, что прочность ее действительно в 1,4-1,5 раза выше прочности серийных обделок, что поставило на реальную основу идею получить облегченную обделку равнопрочной с серийной конструкцией, не применяя дорогой (на 2530%) и дефицитный высокопрочный чугун ВЧ50, а серый повышенной прочности, например, СЧ35 (или даже СЧ30), стоимость отливок которого, как правило, не превышает более чем на 10-12% стоимость отливок рядового серого чугуна СЧ20, а технология модификации значительно проще технологии получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

В НИЦ "Тоннели и метрополитены" была разработана (автор разработки О Ю Антонов) облегченная обделка (масса кольца 3,99 - 4,23 т/м, чугун повышенной прочности СЧ35, СЧ30 соответственно) перегонных тоннелей и шахт метро Ч-51А-НСК-10 (здесь Ч - чугун, 51 - внутренний диаметр в дециметрах, А - авторский индекс, НСК - типы тюбингов нормальный, смежный, ключевой, 10 - количество тюбингов в кольце) Конструктивная схема и основные параметры обделки в окончательном откорректированном варианте приведены на рис 2 и таблице 1

Очевидно, что конструкция Ч-51А-НСК-10 представляет собой вариант классической чугунной обделки с тюбингами Е-образного поперечного сечения, плоскими стыками и болтовыми связями Более того, тюбинги и кольца ее взаимозаменяемы с тюбингами обделки Лентрублита (рис 2)

Тюбинги обделки, однако, имеют ряд отличий от тюбингов серийных конструкций (конфигурация спинки, ребер жесткости, тонкостенность, высота рабочих ребер, болтовые соединения, проточки под резиновые уплотнители второго гидроизолирующего профиля) и изготавливаются по специально разработанной технологии (рис 3)

Теоретическому обоснованию, исследованиям и определению эффективных параметров этой обделки, а также разработке на ее основе новых облегченных конструкций станционных и эскалаторных тоннелей метро посвящена в основном настоящая работа

Обделка Ч-51А-НСК-10 рассчитана на восприятие максимальной, определенной нормами нагрузки на перегонные тоннели отечественных метрополитенов и поэтому может называться унифицированной

Рис. 2. Конструкция облегченной чугунной обделки для перегонных тоннелей 4-51 А-НСК-10

Таблица 1

Техническая характеристика обделки 4-51 А-НСК-10_

Показатель Значение показателя

Диаметр наружный, мм 5460

Диаметр внутренний, мм 5100

Толщина спинки кольца, мм 12(14)

Объем по наружному очертанию, м 23,4

Площадь нагнетания раствора, м 17,2

Количество болтовых скреплений, шт 77

Длина чеканочных швов, м 26,1

Количество тюбингов в кольце 10

в т.ч.: нормальных смежных ключевых 7 2 1

Масса тюбингов, кг 3997 (4320)

Марка чугуна СЧ35 (СЧ30)

Серийная обделка Лентрублита Ди=5,5 м из серого чугуна СЧ-20. Вес кольца 5,87 т

_1000_

. 100 «а х 100

Ж

" Ш

Облегченная обделхса ЦНИИС Д„™5,5 м из серого чугуна СЧ-35. Вес кольца 3,99 т __3500_ ,

8

Рис. 3. Поперечные сечения серийной и разработанной в ЦНИИСе обделок

Серийные обделки ДЗМО и Лентрублита данным свойством не обладают, поскольку при заложении в нескальных грунтах (глины, суглинки, валунно-галечниковые отложения, пески) напряжения в критических сечениях обделки превышают расчетные.

Во второй главе представлен анализ результатов проведенных стендовых испытаний серийной обделки (обделка Лентрублит) и облегченной повышенной прочности (Ч-51А-НСК-10). Автором выполнены повторная обработка результатов проведенных в ЦНИИСе стендовых испытаний и их анализ с целью оценки возможности замены существующих серийных обделок на облегченные конструкции ЦНИИС.

Любое изменение конструкции, материала или технологии изготовления тюбингов, могущее отразиться на прочности, трещиностойкости и деформируемости обделки, должно быть всесторонне исследовано и обосновано. Для этого тюбинги и целые кольца обделки необходимо проверить в экстремальных условиях их загружения, в частности, на кольцевом стенде ЦНИИС.

Стендовые испытания обделок на прочность, трещиностойкость и деформируемость на кольцевом стенде ЦНИИС дают наиболее полные и надежные данные по перечисленным параметрам конструкции. Обделки из чугуна СЧ-20 и СЧ 35 испытывалась по общей методике с доведением нагрузки до 1560 кПа, что практически в 2,5 - 3 раза превышает расчетные нагрузки на существующие обделки перегонных тоннелей метро.

Обделки загружались ступенями через 80 кПа до нагрузки 480 кПа и далее через 120 кПа вплоть до нагрузки 1560 кПа, которой ограничены возможности стенда. Как правило, этого оказывается достаточно для разрушения конструкции, т.к. расчетные нагрузки на обделку не превышают 400 (железобетон) и 600 (чугун) кПа.

В описываемых испытаниях на всех ступенях загружения производились следующие измерения

• радиальных перемещений тюбингов (в 3-х точках),

• изменения диаметров ("вертикального", "горизонтального", 2-х наклонных),

• местных продольных и поперечных деформаций на внутренней поверхности всех тюбингов по ребрам и спинкам,

• раскрытия стыков между тюбингами с внутренней стороны Практически все вновь разрабатывавшиеся обделки, используемые сейчас

в отечественном метростроении, проходили испытания на кольцевом стенде ЦНИИС, т е получали окончательную рекомендацию на внедрение Сравнение результатов испытаний различных конструкций, поставленных в одинаковых условиях, дает надежное основание для выбора лучшего варианта

Испытания серийной конструкции показали, что продольные относительные деформации в ребрах тюбингов исключительно неравномерны Растягивающие деформации достигают в ребрах замка 0,00106, т е напряжения в них превышают 100 МПа Максимальные сжимающие деформации при нагрузке 1200 кПа в ребрах тюбинга составляют 0,0059, что соответствует 350 МПа, т е почти вдвое превышают расчетные напряжения

Существенно отличаются друг от друга напряжения в крайних и среднем ребрах Если учесть, что нагрузка на обделку была доведена до 1560 кПа, то по экстраполяции можно полагать, что напряжения сжатия в ребрах доходят до 400 МПа, при этом разрушений их не происходит

Напряжения сжатия в спинках тюбингов достигли 80 МПа Повреждений в спинках не обнаружено Довольно значительны напряжения растяжения в поперечном направлении В нормальных тюбингах они соответствуют 60-80 МПа, а в смежных - до 100-120 МПа

При нагрузке 1200 кПа появилась трещина в соединении продольного и кольцевого бортов в смежном тюбинге При 1400 кПа продольное ребро было оторвано от тюбинга, однако конструкция продолжала нести возрастающую нагрузку

При испытании облегченной обделки для перегонных тоннелей первым этапом загружения являлось давление в 500 кПа Максимальные смещения (ше-лыга свода) составляют при этом около 3-х см, напряжения сжатия по спинкам - не более 45 МПа, по ребрам они приближаются к расчетным по сжатию (260 МПа в 2х точках) и не более трети расчетных (35 МПа) - по растяжению

Опытную обделку (из чугуна марки СЧ 35) не удалось разрушить и даже сколько-нибудь повредить при максимально возможной нагрузке 1560 кПа (почти втрое превышающий расчетную нагрузку на серийные обделки), что однозначно свидетельствует о высокой прочности новой конструкции, о возможности повсеместной замены серийных обделок облегченной конструкцией из серого чугуна повышенной прочности СЧ 35, которая, как теоретически, так и по результатам испытаний, в 1,2 раза прочнее аналогов

Исследования на кольцевом стенде напряженно-деформированного состояния чугунных обделок из тюбингов марок СЧ-20 и СЧ-35 при упругой pall

боте колец, выявили высокую несущую способность и трещиностойкость обделок Выполненные испытания показали, что чугунная обделка из СЧ-35 имеет определенные резервы несущей способности даже в экстремальных условиях ее загружения Рассматриваемая конструкция из чугуна повышенной прочности СЧ 35, прошедшая полный цикл исследований и испытаний может быть рекомендована к повсеместному внедрению на строительстве отечественных метрополитенов

Третья глава посвящена сравнению результатов натурного испытания и математического численного моделирования воздействия щитовых домкратов на тюбинг облегченной обделки из чугуна повышенной прочности

Испытания облегченного тюбинга проведены научно-исследовательской и проектно-изыскательской лабораторией «Основания и фундаменты» кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» Южно-Уральского государственного университета (г Челябинск) по разработанной автором и Антоновым О Ю методике

Натурное испытание тюбинга обделки Ч-51А-НСК-10 на действие щитовых домкратов проводилось с целью решения следующих задач

• определения напряженно-деформированного состояния тюбинга на каждом шаге загружения,

• определения нагрузок, при которых в наиболее неблагоприятных сечениях напряжения достигают значений временного сопротивления для чугуна марки СЧЗО (С?„= 300 МПа - временное сопротивление растяжению, = 800 МПа - временное сопротивление сжатию)

• определения значений разрушающих нагрузок

Рабочее усилие одного щитового домкрата современного ТПМК - 1150 кН На один тюбинг обделки давление передается от двух или трех щитовых домкратов, в зависимости от положения тюбинга в кольце обделки

В ходе испытаний рассматривалось два варианта нагружения тюбинга Для испытания тюбинга использован гидравлический испытательный пресс типа ИПС-200 Армавирского завода испытательных машин Наибольшая нагрузка при сжатии 2000 кН

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ НАГРУЖЕНИЯ

Нагрузка на борт тюбинга прикладывается плитой пресса через распределительную стальную полосу толщиной 40 мм, резиновую прокладку толщиной 30 мм и резинометаллическую прокладку толщиной 10 мм Нагрузка прикладывалась ступенями На первых двух ступенях нагрузка равнялась 160 кН и 320 кН, на последующих (вплоть до разрушения) дополнительно на каждом этапе по 80 кН Схема первого загружения при испытаниях представлена на рис 4

Для определения фибровых напряжений были использованы рычажные тензометры Гугенбергера с базой 20 мм Всего установлено 4 тензометра, Т-1 и Т-3 установлены на верхней плоскости борта тюбинга в 50 мм от распределительной плиты пресса, Т-2 и Т-4 - на боковой поверхности ребер жесткости на расстоянии 50-60 мм от борта тюбинга Для определения вертикального перемещения борта тюбинга был установлен прогибомер на базе индикатора часо-

вого типа с ценой деления 0.1 мм. Фотография установки приборов показана на рис.5.

Рис.5. Общий вид установки приборов

второй вариант нагружения

Для определения фибровых напряжений при втором варианте нагружения были использованы проволочные датчики сопротивлением 200 Ом в комплекте с измерительной тензометрической системой СИИТ-3. Всего на изделие было наклеено 16 рабочих, 2 компенсационных и 1 контрольный тензорезистор, подключенных к СИИТ-3 по полумостовой схеме. Схема второго загружения при испытаниях представлена на рис.6.

Прокладка из резины 30x200x500

Шток

пресса I—| прессе

'г,i

Рис.6. Схема загружения №2 при испытании тюбинга 51 АН

После проведения испытаний получены следующие результаты по первому нагружению:

Нагрузка, при которой в наиболее неблагоприятных сечениях напряжения достигают временного сопротивления для чугуна марки СЧЗО (<т„, = 300 МПа - временное сопротивление растяжению) составляет 800 кН;

Разрушающая нагрузка тюбинга составляет 1194 кН;

Максимальные перемещения при нагрузке 1194 кН составили 13 мм.

Результаты по второму нагружению:

Нагрузка, при которой в наиболее неблагоприятных сечениях напряжения достигают значений временного сопротивления для чугуна марки СЧЗО, составляет 520 кН;

Разрушающая нагрузка тюбинга составляет 756 кН;

Максимальный прогиб борта тюбинга при нагрузке 756 кН (разрушения) составляет 10,3 мм.

В целях исследования возможности применения современных расчетных комплексов для моделирования сложных испытаний чугунных тюбингов с учетом упруго-пластической работы материала и проверки результатов натурного

испытания чугунного тюбинга, нами была создана математическая модель тюбинга, при помощи которой были смоделированы основные этапы натурного испытания тюбинга на воздействие щитовых домкратов.

Математическая модель тюбинга 51Н обделки Ч51А-НСК-10 (Д„ = 5,46 м) несколько отличалась от тюбинга, испытанного в натурных условиях. Прежде всего, в модели на 10 мм был увеличен размер вылета диафрагм и на 2 мм толщина каждой диафрагмы, что увеличило предельную нагрузку, которую могла вынести одна диафрагма. Также была изменена марка чугуна с СЧЗО (при натурных испытаниях) на СЧ35 (в предполагаемой конструкции тюбинга). Основные размеры и толщины бортов, ребер, спинки тюбинга остались неизменными.

По результатам сравнительного анализа нескольких расчетных программ был выбран комплекс ANSYS (с программной средой ANSYS WORKBENCH), который содержит модель пластичности чугуна (cast iron plasticity), что, в свою очередь, позволяет наиболее корректно учесть упруго-пластическое поведение материала обделки - чугуна. Расчетная схема по первому варианту нагружения показана на рис. 7а.

Дискретизация твердотельной модели тюбинга осуществлялась при помощи трехмерных элементов объемного напряженно-деформированного состояния SOL1D187. Элемент SOLIDI87 является трехмерным квадратичным элементом задач механики деформирования твердого тела с десятью узлами. Этот элемент имеет квадратичное представление перемещений и в состоянии использовать нерегулярную форму сетки (рис. 76).

Расчет для каждого варианта нагружения выполнялся в два основных этапа, которые отличались друг от друга использованием двух различных моделей пластичности (модели мультилинейного изотропного упрочнения и модели пластичности чугуна).

а) б)

Рис. 7. Расчетная (а) и дискретная (б) схемы тюбинга по одному из вариантов

нагружения

Необходимость рассмотрения двух моделей связана, прежде всего, с наложением ряда ограничений в расчетном комплексе АШУБ на применение моде-

ли пластичности чугуна (cast iron plasticity) Модель пластичности чугуна возможно использовать только при монотонном нагружении конструкции и без учета взаимодействия между различными элементами конструкции (нельзя использовать в расчете контактных задач и сложных сборок)

Учет различной работы материала на растяжение и сжатие усложняет и значительно замедляет время расчета, что особенно сказывается на расчете сложных трехмерных моделей строительных конструкций Поэтому сравнение результатов расчета по двум моделям пластичности даст ответ на перспективу использования модели мультилинейного упрочнения, которая больше подходит для описания пластического поведения стали или других металлов

Мультилинейное изотропное упрочнение задается в виде кривой «напряжений - деформаций» Особенностью задания этой кривой является ввод отношения напряжений и соответствующей им пластической деформации Т е первой точкой кривой являются напряжения предела текучести и соответствующее ему нулевое значение пластической деформации

Модель пластичности чугуна, имеющая различные пределы текучести, пластические деформации и упрочнение при растяжении и сжатии, определяется кривой «напряжений - деформаций» В данной модели задаются две различные кривые, описывающие поведение материала при растяжении и сжатии

Анализ результатов численного расчета по первому варианту нагружения показал, что в тюбинге при максимальной нагрузке в 1200 кН напряжения растяжения и сжатия не превышают значений временного сопротивления чугуна (256 МПа < Gbt = 300 МПа - временное сопротивление растяжению, 769 МПа < Gst = 900 МПа - временное сопротивление сжатию) При этом нужно отметить, что при максимальной испытательной нагрузке возникают большие перемещения (до 23 мм) в борте тюбинга между диафрагмами Такие значительные перемещения могут привести к существенным деформациям и разрушению тюбинга

В целом, учитывая разные марки чугунов (СЧЗО и СЧ 35), из которых были отлиты тюбинги, сходимость результатов расчетов и испытаний по перемещениям в 92-93 % можно назвать хорошей

Сравнивая результаты расчетов по двум моделям пластического поведения материала, можно сказать, что сходимость результатов по вертикальным, горизонтальным нормальным и главным сжимающим напряжениям удовлетворительная (91-95 %), а по растягивающим напряжениям и перемещениям - 40-70% и 70-85 % - неудовлетворительная

Результаты расчета по второй схеме нагружения хорошо видно, что при нагрузке 756 кН (разрушающая нагрузка при натурном испытании) конструкция имеет достаточный коэффициент запаса по прочности относительно значений временного сопротивления сжатию и растяжению чугуна Кзап не менее 1,5 При этом нагрузка, при которой возможно появление трещин в тюбинге в районе максимальных сжимающих напряжений (диафрагма) 1200 кН

По результатам натурного испытания и численного моделирования воздействия щитового домкрата на тюбинг можно сделать следующие выводы

■ Натурные испытания тюбинга 51Н, отлитого из чугуна марки СЧЗО, на действие щитовых домкратов проходившие по двум вариантам нагружения показали, что при первой схеме нагружения разрушающая нагрузка тюбинга составляет 1194 кН и при второй схеме нагружения 756 кН,

" Математическое моделирование численным методом воздействия щитовых домкратов на борт тюбинга 51Н, отлитого из чугуна марки СЧ35, с увеличенными размерами диафрагм по сравнению с тюбингом, участвовавшем в натурных, испытаниях показало, что при первой схеме нагружения нагрузка, при которой возможно появление трещин в диафрагмах, спинке и бортах, равна 1300 кН, а при второй схеме нагружения эта нагрузка равна 1200 кН,

■ Анализ расчетов позволяет сделать вывод о необходимости устройства подкрепления борта тюбинга при передвижке щита различными вспомогательными устройствами (в виде труб, швеллеров и др ) Это должно снизить значительные прогибы борта тюбинга при возникновении максимально возможных усилий от домкратов щита

■ Сравнение результатов проведенного натурного испытания и математического моделирования воздействия на элемент тоннельной обделки щитовых домкратов показало хорошую сходимость значений по прогибам борта тюбинга до 92%

■ Анализ результатов расчета математической модели тюбинга с учетом уп-ругопластических свойств чугуна по двум моделям пластичности показал, что использование модели мультилинейного изотропного упрочнения возможно для первоначальной оценки критических вертикальных сжимающих напряжений в конструкции

В четвертой главе изложена методика определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок и проведены исследования на пространственных численных моделях напряженно-деформированного состояния тюбинга от воздействия трех щитовых домкратов и раствора нагнетания на спинку тюбинга Также изучена устойчивость спинки и ребер облегченного тюбинга и рассмотрено влияние на напряженно-деформированное состояние связей растяжения в рабочих стыках тюбинга В ходе работы над диссертацией автором проведен расчет облегченной чугунной обделки перегонного тоннеля, сооружаемого при помощи щита с активным пригрузом забоя, методом механики сплошной среды

Методика определения эффективных конструктивных параметров, то есть тех, которые обеспечивают наименьшую металлоемкость конструкции при сохранении требуемой несущей способности, облегченных чугунных обделок ЦНИИС представлена в виде блок-схемы на рис 8 Кратко общую последовательность определения эффективных параметров обделки можно описать так после задания основных конструктивных параметров (кривизны, длины и ширины тюбинга, формы, высоты и толщины бортов тюбинга, толщины и формы ребер и диафрагм, размеров чеканочной канавки, количества промежуточных ребер, размеров и расположения болтовых отверстий и дополнительных выточек) формируется рабочее поперечное сечение тюбинга, для которого произво-

дится статический расчет кольца обделки и выполняются дополнительные расчеты на пространственных моделях элементов облегченного тюбинга на критические нагрузки Полученные результаты расчетов сравниваются с нормативными значениями пределов сопротивления по сжатию и растяжению для выбранного материала обделки (СЧЗО, СЧ35, ВЧ50 и т д ) Если предел сопротивления превышен, то, изменяя отдельные конструктивные параметры тюбинга и повторяя статические и дополнительные расчеты, получают требуемые наиболее эффективные параметры тюбинга, при которых обеспечен наименьший вес кольца обделки при требуемой несущей способности обделки

Определенные эффективные конструктивные параметры рабочего сечения обделки перегонного тоннеля метрополитена Ч-51А-НСК-10 показаны на рис 3 Далее приводится описание проведенных дополнительных расчетов на пространственных численных моделях элементов обделки Ч-51А-НСК-10

Согласно СП 32-105-2004 «Метрополитены» расчеты подземных сооружений следует выполнять по предельным состояниям с учетом возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий на отдельные элементы или сооружения в целом Таким неблагоприятным воздействием оказались усилия от щитовых домкратов при передвижении щитового комплекса "Lovât", который в лотковой части обделки развивает давление на штоке до 1150 кН (против 700 кН на отечественных щитах)

Моделирование воздействия трех домкратов на тюбинг выполнено в нелинейной постановке с учетом реальной диаграммы «sigma-epsilon» для чугуна повышенной прочности СЧ35

Расчет показал, что уже при нагрузке 150 кН наступает предел упругой работы чугуна При дальнейшем повышении нагрузки на штоке домкрата до 1200 кН максимальные напряжения сжатия в средней диафрагме тюбинга составили 871 МПа, а максимальные напряжения растяжения, возникающие в спинке, 327 МПа

Анализируя полученные расчетные значения при нагрузке 1200 кН, можно сказать, что напряжения вплотную приблизились к значениям временного сопротивления при растяжении и сжатии для чугуна марки СЧ35 (Rp=350 МПа и Rc=900 МПа), при этом борт тюбинга испытывает значительные перемещения до 32,2 мм Увеличение давления на штоках домкратов до максимального возможного значения в 2000 кН может привести к разрушению тюбинга

Для предотвращения возникновения больших прогибов и напряжений в тюбингах чугунной облегченной обделки при передвижке тоннелепроходческо-го комплекса предлагается установка между ребрами тюбинга специальных распорных устройств в виде стальных стержней труб, двутавров, швеллеров

Для оценки снижения критических значений напряжений в районе средней диафрагмы и спинки тюбинга был произведен ряд расчетов численных моделей тюбинга с установкой 2, 4, 8 распорок стержней

При рабочей нагрузке на штоке домкрата в 1200 кН в случае установки подкрепляющих распорок, сжимающие напряжения в диафрагме снижаются в 9

Идея конструкции

ИсСледовани!

юрмирование поперечного сечения тюбинга

Взаимное расположение колец

Дополнительные расчеты конструктивных элементов

тюбингов

I

Проверка прочности

конструктивных элементов тюбинга

на воздействие щитовых домкратов

Проверка устойчивости тонкостенных элементов тюбинга

Проверка прочности спинки тюбинга на воздействие давления от нагнетания

Проверка прочности бортов тюбинга по остаточным напряжениям от затяжки болтов

Облегченная чугунная тоннельная обделка повышенной прочности

Тип поперечного сечения

Количество тюбингов в кольце

Марка чугуна

Условие опирания в кольце

ф X

>>

О с4

Ш

Рис. 8. Блок-схема методики определения эффективных параметров обделки из чугуна повышенной прочности

раз с 787 МПа до 86 МПа Перемещения борта тюбинга уменьшаются с 22,3 мм до 5 мм

Критические значения растягивающих напряжений в спинке тюбинга уменьшаются в два раза до допустимых значений в 238 МПа

По результатам исследований на математических численных моделях напряженно-деформированного состояния тюбинга от действия давления щитовых домкратов была запроектирована конструкция монтажной распорки Распорка изготавливается из швеллера №24 (ГОСТ 8240-97) и устанавливается с натяжкой (заклинивается) в ячейку тюбинга на расстоянии примерно 4 см от внутреннего контура обделки Анализ результатов натурных испытаний и математического моделирования воздействия трех домкратов на тюбинг показал, что установка данной распорки необходима уже при нагрузке 600-700 кН на шгоке домкрата

Необходимость в рассмотрении вопроса устойчивости спинки и ребер тюбинга обусловлена значительным снижением их толщины в облегченной конструкции из чугуна марки СЧ35 по сравнению с серийными обделками

Расчет задач устойчивости является методом, используемым для определения нагрузок, вызывающих потерю устойчивости, - критических нагрузок, при воздействии которых конструкция становится нестабильной, и формы потери устойчивости - характерной формы, связанной с откликом (поведением) конструкции при потере устойчивости

Процедура создания расчетной модели является типовой и подробного описания не требует В данной расчетной модели рассматривается половина тюбинга, в торцевом сечении которого действует сила N=1000 кН с эксцентриситетом е=8 см С помощью данной силы моделируется максимально возможное расчетное напряженно-деформированное состояние в тюбинге, возникающее в дислоцированных глинах

Пространственный расчет, в результате которого была определена критическая нагрузка, приводящая к нестабильности конструкции, выявил, что коэффициент запаса устойчивости спинки и ребер конструкции облегченного тюбинга на порядок превышает требуемый (равен ~ 100) Это означает, что при максимальной расчетной нагрузке потеря устойчивости спинки и ребер тюбинга не происходит

Для изучения напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов тюбинга при воздействии давления от нагнетания растворов за обделку, которое по нормативам может достигать 10 атм, использовалась численная пространственная модель ячейки тюбинга (рис 9а и 96)

Численная пространственная модель представляет собой точную геометрическую копию ячейки тюбинга, на внешнем контуре которой действует распределенная нагрузка Б, имитирующая наиболее неблагоприятный случай воздействия на спинку нагнетаемого раствора Расчет проводился в линейной постановке Максимальные значения вертикальных растягивающих и сжимающих напряжений не превысят 56 МПа и 144 МПа соответственно, что значительно меньше предельных значений по прочности для чугуна марки СЧ35(115 и 280 МПа)

Максимальные растягивающие горизонтальные напряжения, образовывающиеся в спинке у борта и среднего ребра тюбинга, превышают предельные значения на 5% (120 МПа >115 МПа), что укладывается в точность расчета.

а)

б)

г

0.000

О.ЗСв(гп)

ОС

озакт)

0.075

Рис. 9. Расчетная (а) и дискретная (о) схемы ячейки тюбинга 51Н

Минимальный коэффициент запаса получен на участке соединения борта и спинки тюбинга в зоне действия максимальных горизонтальных растягивающих напряжений, что указывает на начало образования на этом участке зоны с пластическими деформациями.

Как известно, методы механики сплошной среды наиболее эффективны для расчета обделок, которые работают в плотном контакте с окружающим массивом. Такой подход позволяет рассматривать единую совместно деформируемую систему "грунт-обделка". При строительстве тоннелей щитами с активным пригрузом забоя целесообразно проводить расчеты методами механики сплошной среды.

Расчет облегченной обделки из чугуна повышенной прочности осуществлялся при помощи расчетного комплекса Р1ах1в 8.5 в двухмерной постановке. Комплекс Р1ах18 является расчетной программой, использующей метод конечных элементов для анализа деформаций и устойчивости геотехнических конструкций. Для моделирования нелинейного поведения грунтов использовалась упругопластическая модель Кулона-Мора.

Для исследования изменения напряженно-деформированного состояния в обделке перегонного тоннеля из чугунных тюбингов в зависимости от глубины заложения тоннеля в однородных песчаных и глинистых грунтах был выполнен расчет на двух математических моделях для каждого типа грунта (рис. 10). При выполнении расчета учитывалась потеря объема грунта между оболочкой щита и устанавливаемой обделкой при строительстве перегонного тоннеля щитовым способом.

Целью анализа результатов численного моделирования является определение зоны благоприятного и рационального применения обделки из чугуна СЧ-35 при сооружении тоннеля щитом с активным пригрузом.

Критерием определения таких зон является диапазон расчетных значений коэффициента запаса Кзап=1,2-1,4. Данный диапазон обеспечивает необходимый запас эксплуатационной надежности конструкции и учитывает возможные отклонения и ограниченность достоверности исходных данных и предпосылок.

крупности (а) и твердых глин (б)

По результатам исследования были построены графики зависимости коэффициента запаса по прочности чугунной облегченной обделки Ч-51А-НСК-10 от глубины заложения перегонного тоннеля в шести основных типах грунтов (пески, глины), представленные на рис. 11. Сглаживание зависимости коэффициента запаса от глубины заложения тоннеля произведено логарифмическими кривыми.

Рис. 11. Графики зависимости коэффициента запаса по прочности от глубины заложения перегонного тоннеля

Как известно из опыта строительства отечественных метрополитенов, часто при затяжке болтовых соединений возникают дополнительные растягивающие напряжения в бортах тюбинга. Так как в облегченной обделке существенно изменена толщина и форма бортов тюбинга, автором было произведено исследование влияния на напряженно-деформированное состояние обделки связей растяжения в рабочих стыках обделки.

Для этого автор разработал модель стыка для численного анализа, которая представляет собой область стыка тюбингов с четырьмя болтовыми соединениями. Ширина зоны влияния стыка определялась по предварительным расчетам и принималась равной трем толщинам тюбингов (500 мм) от оси стыка.

Кривизной спинки и внутренней поверхности ребер тюбингов в районе стыка можно пренебречь, так как существенного влияния на распределение напряжений в стыковой зоне она не окажет (рис. 12).

Для расчета был выбран стык двух нормальных тюбингов АН обделки Ч-51A-HCK-I0 из чугуна повышенной прочности СЧ-35 с толщиной 180 мм.

Граничные условия на левой торцевой поверхности расчетной схемы предотвращают от перемещений или деформаций торец облегченного тюбинга. Так как рассматривать будем половину стыка в продольном направлении, то на поверхности симметрии были заданы граничные условия, предотвращающие перемещения по нормали к этой поверхности.

Моделирование болтового соединения соседних тюбингов облегченной обделки повышенной прочности с учетом резьбового соединения весьма сложный процесс. Решение объемных задач с несколькими болтами и с отсутствием симметрии требует серьезных вычислительных ресурсов. Для снижения размерности задачи и ее облегчения необходимо использовать упрощенную модель резьбового соединения, не требующую решения контактной задачи в резьбе. Имитация затяжки болтового соединения производится при помощи задания силы затяжки болтов (Pretension Boll Load). Сила затяжки прикладывается к цилиндрической поверхности или к нескольким телам, входящим в сборку болтового соединения.

0-000 0.150 0.300 (т)

0.075 0.225

Рис. 12. Расчетная схема стыка тюбинга

Приложением усилий на правом торце стыка моделировалось максимальное (определенное нормами) нагружение тюбинга от горного давления (в дислоцированных глинах)

Общий итог расчета состоит в том, что образующиеся дополнительные растягивающие напряжения от затяжки болтов в рабочих бортах, не приводят к существенному изменению напряженно-деформированного состояния тюбинга В пятой главе даны основные результаты внедрения исследований и конструкторских разработок

По результатам анализа проведенных в четвертой главе расчетов была обоснована конструкция обделки Ч-51А-НСК-10 как унифицированной для перегонных тоннелей метро На сегодняшний день в перегонных тоннелях стоит более десятка тысяч облегченных тюбингов обделки Ч-51А-НСК-10, которая применяется при строительстве метрополитена в городе Челябинск Используя базовую, испытанную и внедренную обделку Ч-51А-НСК-10 были созданы ее модификации Ч-51А-НСК-11 (11 тюбингов в кольце, конструкция взаимозаменяема с обделкой «ДЗМО»), Ч-51А-НК-10Т (с торцовым замыканием замковых элементов - для проходки щитами с гидропригрузом), Ч-51А-НСК-10В (отливаемая из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ50 - массой 3,2 т на пог метр)

На основе детально рассмотренной облегченной конструкции для перегонных тоннелей и результатов математического моделирования были разработаны конструкции обделок с модифицированным Е-образным типом поперечного сечения и внутренним диаметром обделки 8,9 и 9,8 м из чугуна марок СЧЗО и СЧ35 (Ч-98А-НСК-18, Ч-89А-НСК-16), которые могут использоваться при строительстве станционных и эскалаторных тоннелей Определение эффективных конструктивных параметров обделок проводилось по разработанной и приведенной выше методике

Основные характеристики колец разработанных обделок из чугуна повышенной прочности показаны в таблице 2

Таблица 2

Значение показателя для обделок

Показатель Д/Д™, М

10,3/9,8 9,5/8,9

Число тюбингов в кольце 18 16

Масса кольца, т на 1 п м тоннеля 12,8 11,7

Высота бортов тюбингов, мм 250 250

Наибольшая длина тюбингов, м 1,87 1,92

Число болтовых отверстий в тюбинге 16 16

Ширина кольца, мм 1000 1000

Толщина спинки тюбинга 14 14

Марка чугуна СЧЗО, СЧ35 СЧЗО, СЧ 35

Ширина колец обделок изменена по сравнению с серийными с 0,75 м до 1 м (рис 13) Применение обделок с большей шириной кольца позволяет не только снизить количество стыков на погонную длину станции и повысить коэффи-

циент сборности при строительстве сооружения, но и увеличить производительность труда в 1.3-1.7 раза.

Серийная обделка Дн=9,5 м из серого чугуна СЧ-20. Вес кольца 21,9 т

Рис. 13. Поперечные сечения серийной и разработанной в ЦНИИСе обделок для станционных и эскалаторных тоннелей

Сборных элементов в кольце обделок Ч-98А-НСК-18, Ч-89А-НСК-16 по 18 и 16 соответственно. Это определяется не столько статической работой и монтажом обделки, сколько возможностями технологии отливки.

Тюбинги обделок Ч-98А-НСК-1 8 и Ч-89А-НСК-16 имеют ряд отличий от тюбингов серийных конструкций станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена - ширина тюбинга, конфигурация и тонкостенность сгшнки и ребер жесткости, высота рабочих ребер, болтовые соединения, проточки под уплот-нитнение 2-го гидроизолирующего контура, размер чеканочных канавок, и изготавливаются по специально разработанной лабораторией чугунного литья Уральского института металлов (УИМ) технологии.

Высота ребер тюбингов из серого чугуна повышенной прочности принята равной 250 мм, что на 50мм (4-89) и 100 мм (4-98) меньше, чем в существующих. Однако, как показали расчеты и исследования, она достаточна для обеспечения жесткости конструкции и размещения болтовых соединений в радиальных стыках.

Размер спинки тюбинга в разработанных обделках принят равным 14 мм, что соответствует условиям несущей способности и технологическим возможностям отливки. Утолщать спинку тюбингов из условий долговечности на последующую коррозию запрещено: согласно нормативным документам не допускается увеличение толщины конструкций сверх необходимой по расчету в целях увеличения срока службы конструкций, подвергающихся коррозии.

Обделки Ч-98А-НСК-18 и Ч-89А-НСК-16 рассчитаны на вертикальную нагрузку 1000 кПа при боковой 550 кПа и коэффициенте отпора грунта 70 Н/см3.

Детально изученные конструктивно-технологические особенности упругих чугунных обделок, включая разработку института Ч-51А-НСК-10, дают основание считать, что возможности упругой схемы практически исчерпаны и дальнейший путь сокращения их металлоемкости был направлен на разработку многошарнирных конструкций Основная идея - резкое снижение изгибающих моментов в шарнирной обделке, позволяющее максимально использовать высокую прочность чугуна при его работе на сжатие, существенно уменьшив или даже исключив растягивающие напряжения в тюбингах

Результаты расчета шарнирных конструкций показали, что максимальные напряжения в критических сечениях (шелыга свода и сечение под углом около 45° к вертикальной оси обделки) при гравитационной нагрузке в 500 кПа в юрской глине и 300 кПа - в валунно-галечниковых отложениях в 2,5 - 3 раза ниже расчетных напряжений сжатия чугуна марки СЧ20 Т е обделку теоретически можно еще облегчить, либо укладывать в условиях с большей (примерно в 2 раза) расчетной нагрузкой Первое, однако, ограничивается существующими условиями литья (толщина спинки 10 мм), второе - вполне реально, хотя и требует проверки по условиям деформаций в шарниром варианте они практически в 1,5-2 раза выше, чем в упругом, однако в реальных условиях находятся в пределах допусков Кроме того, кольца при монтаже можно собирать с переподъемом или «отрицательной эллиптичностью» Следует также обратить внимание на то, что все сечение тюбинга работает на сжатие, а расчетные напряжения сжатия у серых чугунов в 2,5 - 3 раза превышают растягивающие, в таком же соотношении находятся пластические деформации чугунов всех упомянутых здесь марок

В упругом варианте, в котором шарнирная обделка трансформируется при укладке колец с перевязкой и при затяжке болтов кольцевых стыков может быть использована в неустойчивых грунтах (даже с плывунными свойствами), но естественно при ограниченной нагрузке вследствие малого минимального момента сопротивления сечения классического тюбинга В случае больших нагрузок в упругом варианте конструкции следует использовать тюбинги равного сопротивления Расчет обделки с поперечным сечением тюбингов равного сопротивления показал, что такая конструкция пригодна к использованию практически во всем диапазоне рассматриваемых нами инженерно-геологических условий строительства перегонных тоннелей отечественных метрополитенов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем

1 Проведен анализ стендовых испытаний и исследований облегченной обделки повышенной прочности для перегонных тоннелей и шахт метро, который выявил ее высокую несущую способность, трещиностойкость и эксплуатационную надежность При этом масса чугуна облегченной обделки на 27 % (СЧЗО) и 45% (ВЧ50) меньше массы серийных обделок Облегченная обделка, прошедшая полный цикл исследований, испытаний и опытного строительства

может быть рекомендована к повсеместному применению на строительстве отечественных метрополитенов взамен металлоемких серийных конструкций

2 На основе анализа результатов экспериментальных исследований, испытаний, опыта строительства и расчетов напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец обделки разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности, определившая конкретные задачи и методы их решения

3 В процессе выполнения заданной программы разработана математическая численная модель тюбинга облегченной чугунной обделки с учетом упруго-пластических свойств материала и проведено исследование напряженно-деформированного состояния элемента тоннельной обделки на воздействие щитовых домкратов По результатам расчетов и проведенных натурных испытаний тюбинга определены условия установки монтажной распорки в ячейку тюбинга

4 Исследованиями напряженно-деформированного состояния и устойчивости ребер и спинки тюбинга на пространственной конечно-элементной модели ячейки и фрагмента тюбинга показано, что принятые толщины и размеры спинки и ребер тюбинга достаточны для сохранения высокой несущей способности и эксплуатационной надежности облегченной конструкции

5 Проведенные расчеты с использованием современного расчетного комплекса ANS YS, реализующего метод конечных элементов, позволили впервые получить полную картину усилий в любой точке тюбинга на большинстве стадий его загружения, выявлены наиболее напряженные зоны и узлы с конкретным определением корректировки параметров сечений

6 В результате расчетов облегченной обделки перегонного тоннеля методами механики сплошной среды, в которых решалась плоская упруго-пластическая задача геомеханики, получены зависимости коэффициента запаса по прочности обделки от глубины заложения тоннеля в широком диапазоне нескальных грунтов По построенным графикам для характерных грунтовых условий можно получить допускаемую глубину заложения тоннеля из облегченной обделки повышенной прочности (Ч-51А-НСК-10), при которой будет максимально использоваться несущая способность обделки

7 Анализ результатов расчетов тюбинга и кольца облегченной чугунной обделки позволил определить и обосновать эффективные параметры тюбингов (размеры, конфигурация и толщина спинки, диафрагм, высота рабочих ребер, болтовые соединения, проточки под уплотнители 2-го гидроизолирующего контура, чеканочные канавки) обделки для перегонных тоннелей метрополитена Ч-51А-НСК-10, которая призвана заменить при сооружении тоннелей устаревшие серийные обделки

8 По результатам исследований запроектированы конструкции обделок с модифицированным Е-образным типом поперечного сечения для станционных и эскалаторных тоннелей с уменьшенной в 1,5-2 раза металлоемкостью Обоснована область применения перспективных разработок ЦНИИС — многошарнирной чугунной обделки и обделки из тюбингов равного сопротивления

9 Основным результатом, практическим выходом настоящей работы является теоретическое обоснование и определение основных параметров облегченных тюбингов чугунных обделок для перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей и шахт метрополитенов, которые имеют уменьшенную в 1,3 -2 раза металлоемкость по сравнению с серийными конструкциями

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Антонов О Ю Нагрузки от горного давления и расчет облегченных чугунных обделок тоннелей метро [Текст] / О Ю Антонов, Д А Мосолов // Тр II междунар конф «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» — Екатеринбург, 2007 —С 190-193

2 Мосолов Д А Расчет облегченной чугунной обделки на действие щитовых домкратов [Текст] /ДА Мосолов // Научн тр ОАО ЦНИИС, вып №230 «Исследование транспортных сооружений» - М , 2006 - С 54-62

3 Антонов О Ю Особенности конструктивно - технологических решений и область применения высокоэффективных чугунных тоннельных обделок [Текст] / О Ю Антонов, Д А Мосолов, Г А Толочко // Научн тр ОАО ЦНИИС, вып №221 «Прогрессивные конструктивно-технологические решения для тоннеле-и метростроения в России -М,2004 — С 51-68

4 Мосолов Д А К обоснованию конструктивных параметров облегченной чугунной обделки напряженно-деформированное состояние тюбингов под действием щитовых домкратов [Текст] /ДА Мосолов // Тр II междунар конф «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» — Екатеринбург, 2007 - С 202-205

5 Мониторинг напряженно-деформированного состояния станции «Полянка» в Москве [Текст] /ЕВ Щекудов, В В Чеботаев, А А Кубышкин, Л А Воробьев, Д А Мосолов, А М Страхов // Метро и тоннели - 2006 -№5

6 Антонов О Ю Облегченная чугунная обделка повышенной прочности Ч-51А-НСК-10 и ее модификации [Текст] / О Ю Антонов, Д А Мосолов, Е В Щекудов, В С Радя, Г А Толочко // Тезисы докладов и сообщений междунар конф «Освоение подземного пространства городов преодоление сложных геологических и градостроительных условий» — М , 2007 —С 216-220

7 Мосолов ДА Облегченные чугунные обделки повышенной прочности для тоннелей метрополитенов [Текст] / ДА Мосолов // Транспортное строительство —2007 -№11

Подписано в печать 06 11 2007 Формат 60 X 84 V1( Объем 1,75 п л Тираж 80 экз Заказ 22

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС

129329, Москва, Кольская 1 Тел (495) 180-94-65

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА СБОРНЫХ ЧУГУННЫХ ОБДЕЛОК. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Конструктивные особенности чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитена.

1.2 Конструктивные параметры чугунных обделок больших диаметров (станционных, эскалаторных тоннелей метрополитена и др.).

1.3 Исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности чугунных обделок тоннелей метрополитена.

1.4 Конструкция облегченной обделки (традиционного типа) из чугуна повышенной прочности.

1.5 Методы расчета обделок со связями растяжения в стыках.

1.6 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ЧУГУННЫХ ОБДЕЛОК ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРО.

2.1 Методика испытаний на прочность, трещиностойкость и деформируемость чугунных обделок.

2.2 Основные результаты стендовых испытаний серийной обделки (Лентрублит).

2.3 Основные результаты стендовых испытаний облегченной обделки из чугуна повышенной прочности СЧ-35.

2.4 Анализ результатов испытаний и выводы по главе.

ГЛАВА III НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЩИТОВЫХ ДОМКРАТОВ НА ТЮБИНГ ОБЛЕГЧЕННОЙ ЧУГУННОЙ ОБ ДЕЖИ.

3.1 Испытание чугунного тюбинга на воздействие щитовых домкратов.

3.2 Выводы по результатам испытания тюбинга.

3.3 Математическое моделирование испытаний воздействия щитовых домкратов на тюбинг облегченной обделки Ч-51А-НСК-10.

3.4 Выводы по главе.

ГЛАВА IV. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЧУГУННЫХ ОБДЕЛОК. МАТЕМАТИЧЕКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ТЮБИНГОВ И КОЛЕЦ ОБДЕЛКИ ИЗ ЧУГУНА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ.

4.1 Методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок.

4.2 Напряженно-деформированное состояние тюбинга под воздействием трех щитовых домкратов.

4.3 Устойчивость спинки и ребер тюбинга облегченной чугунной обделки.

4.4 Расчет тюбинга на воздействие давления раствора нагнетания на спинку облегченной обделки.

4.5 Нагрузки от горного давления и расчет облегченных чугунных обделок тоннелей метрополитенов.

4.6 Расчет облегченной чугунной обделки методом механики сплошной среды.

4.7 Численное моделирование статической работы стыка обделки из чугуна повышенной прочности со связями растяжения.

4.8 Выводы по главе.

ГЛАВА V. КОНСТРУКЦИИ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ИЗ ЧУГУНОВ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ.

5.1 Конструктивные параметры тюбингов облегченной тоннельной обделки Ч-51А-НСК-10.

5.2 Конструкции облегченных тоннельных обделок метрополитенов из чугунов повышенной прочности.

5.3 Выводы по главе.

Чугунная тоннельная обделка в настоящее время является конструкцией, отвечающей всем требованиям, предъявляемым к конструкциям подземных сооружений метро: прочность, устойчивость, надежность, водонепроницаемость (как основное требование экологической и эксплуатационной безопасности), ремонтопригодность, исключение ошибок при сборке (технологическая надежность), минимальные эксплуатационные расходы, "инвентарность", т.е. возможность многократного применения тюбингов (для временных подземных сооружений, например пилот-тоннелей, рабочих стволов, временных выработок). Уникальным свойством является огнестойкость чугунных конструкций - крайне важное условие безопасности эксплуатации и самого существования тоннеля, наконец, эффективное сопротивление сейсмическим и иным ударным нагрузкам ("живучесть" подземного сооружения). Перечисленные факторы определили возможность повсеместного применения чугунных обделок, в первую очередь, в особо тяжелых инженерно-геологических условиях заложения тоннеля.

В общей стоимости тоннелей значительную часть (около 60%) составляет стоимость обделки. Следовательно, сокращение стоимости обделки является наиболее результативным способом повышения экономической эффективности строительства. Выполнение этой задачи можно осуществить путем замены чугунных обделок железобетонными или путем совершенствования самих чугунных обделок с целью уменьшения их металлоемкости.

Хотя в современном отечественном метростроении использование чугунных обделок ограничивают сложными инженерно-геологическими условиями, тем не менее их протяженность составляет около 1/4 участков строящихся перегонных тоннелей метрополитена и практически все станции глубокого заложения.

В диссертации рассматриваются вопросы совершенствования чугунных обделок тоннелей метрополитена в направлении сокращения их металлоемкости на основе анализа натурных исследований, стендовых испытаний, исследований упруго-пластической работы отдельных тюбингов и колец обделки из чугунов повышенной прочности.

Актуальность работы определяется необходимостью теоретического обоснования и определения основных конструктивных параметров чугунных тюбингов облегченных тоннельных обделок повышенной прочности, предназначенных для строительства перегонных и станционных тоннелей отечественных метрополитенов, призванных заменить устаревшие, металлоемкие, не отвечающие ряду требований современных норм серийные конструкции обделок перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей отечественных метрополитенов.

Цель работы - определение эффективных параметров тюбингов тоннельных обделок из чугуна повышенной прочности. Под эффективными в работе понимаются геометрические параметры (размеры и толщины рабочих круговых и радиальных ребер, спинки, диафрагм и т.п.), обеспечивающие максимальное уменьшение массы обделки без снижения ее несущей способности.

В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд основных задач:

- провести анализ экспериментальных и натурных исследований и стендовых испытаний чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитенов (серийной - Лентрублит) и облегченной конструкции повышенной прочности;

-разработать методику определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности;

- провести математическое моделирование напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец облегченной чугунной обделки с применением метода конечных элементов.

-В ходе математического моделирования изучить: восприятие рабочими ребрами и диафрагмами тюбингов давления щитовых домкратов с определением условий установки распорок в монтажный период; пространственную работу спинки тюбинга; устойчивость ребер и спинки тонкостенной конструкции тюбинга; влияние на напряженно-деформированное состояние тюбингов связей растяжения (болтов) в радиальных (рабочих) стыках;

-на основании полученных результатов исследований и расчетов откорректировать и обосновать конструктивные параметры облегченной чугунной обделки ЦНИИС (Ч-51А-НСК-10) как унифицированной конструкции перегонных тоннелей отечественных метрополитенов;

-на основе детально обоснованной конструкции обделки Ч-51А-НСК-10 для перегонных тоннелей и методики определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок, разработать конструкции обделок станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена.

Метод исследований напряженно-деформированного состояния обделки, элементов и узлов тюбингов с учетом пластических свойств чугуна - математическое моделирование. Экспериментальные исследования облегченной чугунной обделки повышенной прочности - испытание на кольцевом стенде ЦНИИС и в производственных условиях. Результаты проведенных расчетов сопоставлялись с данными результатов испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования пространственной работы элементов облегченного чугунного тюбинга с учетом упруго-пластической работы материала (на воздействие щитовых домкратов, на воздействие на спинку тюбинга давления от нагнетания, работа стыка обделки с учетом болтового соединения);

- разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок;

- разработаны конструкции обделок для станционных и эскалаторных тоннелей отечественного метрополитена.

Практическая значимость данной работы заключается в возможности получения, на основе разработанной автором методики и проведенных исследований на математических дискретных моделях, новых облегченных конструкций чугунной обделки тоннелей метрополитенов.

Проведенные исследования и использование методики позволили автору научно обосновать эффективные (т.е. менее металлоемкие) конструктивные параметры чугунных обделок, при сохранении требуемой несущей способности конструкции.

Достоверность полученных результатов определяется:

- строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

- учетом требований действующих нормативных документов;

- высокой сходимостью результатов расчетов по математическим моделям с натурными испытаниями облегченной обделки повышенной прочности.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

- На П-й Международной конференции. "Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений", г.Екатеринбург, 2007 г.

- На Международной научно-технической конференции "Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологических и градостроительных условий", г. Москва, 2007 г.

- на заседаниях секции НИЦ "Тоннели и метрополитены" Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2005-2007 гг.

Реализация результатов. Результаты работы использованы при проектировании конструкций сборных облегченных чугунных обделок для перегонных тоннелей (Дн/Дв = 5,46/5,1 м), станционных и эскалаторных тоннелей, а также для теоретического обоснования и расчетов перспективных конструкций обде

10 лок перегонных тоннелей с шарнирными стыками и обделок равного сопротивления.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Основной текст изложен на 205 страницах, содержит 35 таблиц, 102 рисунков, включает в себя 7 приложений на 20 листах. Ссылки даны на 115 источников.

5.3 Выводы по главе

1. Проведенные исследования и расчеты при помощи разработанной методики позволили спроектировать конструкции новых обделок для эскалаторных и станционных тоннелей из чугуна повышенной прочности (марок СЧЗО и СЧ35). При этом вес кольца обделок снижен на 70-80 % на погонный метр тоннеля при обеспечении требуемой несущей способности.

2. Обделка с волновым поперечным сечением в шарнирном варианте (ШКА-51 -КС) пригодна для применения во всем диапазоне скальных и полускальных грунтов (мергель, известняк, известняково-глинистая карбонная толща, в юрских глинах и валунно-галечниковых отложениях). Анализ результатов расчетов данной обделки показал, что всё сечение тюбинга работает на сжатие, а расчетные напряжения сжатия у серых чугунов в 2,5 - 3 раза превышают растягивающие, что обеспечивает существенный запас несущей способности конструкции.

3. Упругий вариант ШКА-51-КС, в который шарнирная обделка трансформируется при укладке колец с перевязкой и при затяжке болтов кольцевых стыков, может быть использован в неустойчивых грунтах (даже с плывунными свойствами), но при ограниченной нагрузке вследствие малого минимального момента сопротивления сечения классического тюбинга. В случае больших нагрузок в упругом варианте конструкции следует использовать тюбинги равного сопротивления обделки ШКА-51-PC, пригодной практически во всех рассмотренных нами инженерно-геологических условиях строительства перегонных тоннелей отечественных метрополитенов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные конструктивные решения - тоннельные обделки перегонных, станционных, эскалаторных тоннелей из серого чугуна повышенной прочности - в практике отечественного и зарубежного метростроения неизвестны, и на настоящий момент представляет собой наиболее эффективную конструкцию по всем основным показателям: металлоемкости, трудозатратам на транспортировку и монтаж и, наконец, стоимости изготовления.

Одновременно - эти конструкции, с учетом применения современной антикоррозионной защиты, обеспечат долговечность и ремонтопригодность на всех этапах эксплуатации подземного сооружения, что позволяет считать облегченные тюбинги - изделиями высшего мирового уровня.

Экономический эффект применения облегченной чугунной обделки определяется, прежде всего, снижением расхода чугуна на 1,5-2 тонны на метр перегонного тоннеля и на 10 тонн на метре станционного тоннеля.

Расчет экономического эффекта в метростроении от замены тюбингов из чугуна марки СЧ20 на СЧ35 представлен в приложении 7. Расчетное снижение стоимости по укрупненным показателям на 1 м п. обделки составило: для перегонного тоннеля 27 181,6 руб./1 м п. (16,6%); для станционного тоннеля 259 383,5 руб./1 м п. (39,4 %).

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Проведен анализ стендовых испытаний и исследований облегченной обделки повышенной прочности для перегонных тоннелей и шахт метро, который выявил её высокую несущую способность, трещиностойкость и эксплуатационную надежность. При этом масса чугуна облегченной обделки на 27 % (СЧЗО) и 45% (ВЧ50) меньше массы серийных обделок. Облегченная обделка, прошедшая полный цикл исследований, испытаний и опытного строительства, может быть рекомендована к повсеместному применению на строительстве отечественных метрополитенов взамен металлоемких серийных конструкций.

2. На основе анализа результатов экспериментальных исследований, испытаний, опыта строительства и расчетов напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец обделки разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности, определившая конкретные задачи и методы их решения.

3. В процессе выполнения заданной программы разработана математическая численная модель тюбинга облегченной чугунной обделки с учетом упруго-пластических свойств материала и проведено исследование напряженно-деформированного состояния элемента тоннельной обделки на воздействие щитовых домкратов. По результатам расчетов и проведенных натурных испытаний тюбинга определены условия установки монтажной распорки в ячейку тюбинга.

4. Исследованиями напряженно-деформированного состояния и устойчивости ребер и спинки тюбинга на пространственной конечно-элементной модели ячейки и фрагмента тюбинга показано, что принятые толщины и размеры спинки и ребер тюбинга достаточны для сохранения высокой несущей способности и эксплуатационной надежности облегченной конструкции.

5. Проведенные расчеты с использованием современного расчетного комплекса ANSYS, реализующего метод конечных элементов, позволили впервые получить полную картину усилий в любой точке тюбинга на большинстве стадий его загружения, выявлены наиболее напряженные зоны и узлы с конкретным определением корректировки параметров сечений.

6. В результате расчетов облегченной обделки перегонного тоннеля методами механики сплошной среды, в которых решалась плоская упруго-пластическая задача геомеханики, получены зависимости коэффициента запаса по прочности обделки от глубины заложения тоннеля в широком диапазоне нескальных грунтов. По построенным графикам для характерных грунтовых условий можно получить допускаемую глубину заложения тоннеля из

174 облегченной обделки повышенной прочности (Ч-51А-НСК-10), при которой будет максимально использоваться несущая способность обделки.

7. Анализ результатов расчетов тюбинга и кольца облегченной чугунной обделки позволил определить и обосновать эффективные параметры тюбингов (размеры, конфигурация и толщина спинки, диафрагм, высота рабочих ребер, болтовые соединения, проточки под уплотнители 2-го гидроизолирующего контура, чеканочные канавки) обделки для перегонных тоннелей метрополитена Ч-51А-НСК-10, которая призвана заменить при сооружении тоннелей устаревшие серийные обделки.

8. По результатам исследований запроектированы конструкции обделок с модифицированным Е-образным типом поперечного сечения для станционных и эскалаторных тоннелей с уменьшенной в 1,5-2 раза металлоемкостью. Обоснована область применения перспективных разработок ЦНИИС -многошарнирной чугунной обделки и обделки из тюбингов равного сопротивления.

9. Основным результатом, практическим выходом настоящей работы, является теоретическое обоснование и определение основных параметров облегченных тюбингов чугунных обделок для перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей и шахт метрополитенов, которые имеют уменьшенную в 1,3 - 2 раза металлоемкость по сравнению с серийными конструкциями.

1. Айвазов, Ю.Н. Расчет круговой тоннельной обделки как систем брусьев на упругом основании / Ю.Н. Айвазов, О.Ю. Антонов // Гидротехническое строительство. 1969. - №1.

2. Александров, А.В. Сопротивление материалов / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин. -М.: Высш. шк., 2001.

3. Алямовский, A. A. Solidworks/Cosmosworks 2006/2007. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. М.: ДМК-пресс, 2007.

4. Альперович Б. Чугунная обделка с плоским лотком / Б. Альперович. -М.: Метро №2,1995.

5. Антонов О.Ю. О некоторых факторах, влияющих на статическую работу тоннельной обделки / О.Ю. Антонов // Метрострой. 1969. - №3-4, С. 46-50.

6. Антонов, О.Ю. Исследование работы винтовых распорных устройств для обделок тоннелей метрополитена, преднапрягаемых обжатием в породу / О.Ю. Антонов, С.Н. Сильвестров, Ю.А. Кошелев // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1972. - №62.

7. Артамонов B.C. О коррозионной стойкости обделки / B.C. Артамонов // Метрострой. 1971. -№6.

8. Афендиков, JI.C. Моделирование напряженно-деформированного состояния тоннельных конструкций / Л.С. Афендиктов, Н.Е. Манюкова // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1974. - № 81.

9. Афендиков, Л.С. О предельном состоянии круговой тоннельной обделки / Л.С. Афендиктов, В.В. Сальников, В.В. Чеботаев // Транспортное строительство. 1977. -№6.

10. Афендиков, Л.С. Облегчение веса и снижение стоимости чугунных обделок / Л.С. Афендиктов, В.В. Якобе, Ю.Н. Виноградов // Метрострой. -1972.-№3.

11. Баклашов, И.В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия; 2-е изд. М.: Недра, 1992.

12. Балдин, В.А. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям / В.А. Балдин, И.И. Гольденблат. М. - Л.: Государственное издательство строительной литературы, 1951.

13. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / К.А. Басов. М.: Компь-ютьерпресс, 2002.

14. Басов К.A. .ANSYS Справочник пользователя / К.А. Басов. М.: ДМК-пресс, 2005.

15. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS / К.А. Басов. -М.: ДМК-пресс, 2006.

16. Биргер, И.А. Резьбовые и фланцевые соединения / И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. -М.: Машиностроение, 1990.

17. Бодров, Б.П. Напряженное состояние сборных тоннельных обделок метрополитенов / Я.Г. Гельман, Б.П. Бодров // Сб. ст. ЦНИИС. М., 1959. -№31., С. 48-97.

18. Богомолов, Г.М. Справочник инженера-тоннельщика / Г.М. Богомолов, Д.М. Голицынский, С.И. Сеславинский // Под ред. В.Е. Меркина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова М.: Транспорт, 1993.

19. Бодров, Б.П. Кольцо в упругой среде / Б.П. Бодров, Б.Ф. Матэри // Метропроект: Отдел типового проектирования, 1936. Бюл. № 24.

20. Бугаева О.Е. Расчет тоннельных обделок кругового очертания / О.Е. Бугаева. -М.: Известия ВНИИГ, 1951. т.45.

21. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев. -М.: Изд. Недра, 1982.

22. Булычев Н.С. Методика расчета незамкнутых и сборных конструкций крепи капитальных горных выработок на основе схемы контактного взаимодействия с массивом / Н.С. Булычев // Механика подземных сооружений. Тула.: ТулПИ, 1982.

23. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах / Н.С. Булычев. М.: Изд. Недра, 1989.

24. Булычев, Н.С. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок / Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева, Е.В. Стрельцов. М.: Недра, 1986.

25. Бурдзгла H.JI. Статический расчет гидротехнических тоннелей / H.JI. Бурдзгла. -М.: Госстройиздат, 1961.

26. Величкин, Е.А. Строительство тоннелей и метрополитенов / Е.А. Величкин, П. Т. Ленец. -М.: Транспорт, 1971.

27. Виноградов Б.Н. Опыт измерений давления горных пород на тоннельные обделки мессдозами / Б.Н. Виноградов // Сб. ст. ЦНИИС. М., 1959. -№31.

28. Виноградов Ю.Н. Исследование прочностных и деформативных характеристик чугунных обделок тоннелей метрополитенов в целях снижения веса конструкций: дис. канд. наук. -М.: Изд-во ЦНИИС, 1973.

29. Витке В. Механика скальных пород / В. Витке; пер. с немецкого. -М.: Недра, 1990.

30. Влох Н. Напряженное состояние обделки из чугунных тюбингов / Н. Влох // Метрострой. 1990. - №1.

31. Воробьев JI.A. Рационализация статических расчетов тоннельных обделок / Л.А.Воробьев // Сб. научных трудов. М.: Транспорт, 1984.

32. Галеркин Б.Г. Собр. соч. / Б.Г. Галеркин // Собр. соч.: АН СССР, 1952.-т.1.

33. Гарбер В.А. Математическая модель напряженно-деформированного состояния многосвязных подземных конструкций / В.А. Гарбер // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1976. - вып. 87.

34. Гарбер В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учетом технологии их сооружения / В.А. Гарбер. М.: Изд-во НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1996.

35. Гарбер В.А. Долговечность тоннельных конструкций в условиях эксплуатации и городского строительства / В.А. Гарбер. М.: Ротапринт ОАО ЦНИИС, 1998.

36. Гарбер, В.А. Программы вычисления усилий в стержневой части основной системы конструкции в комплексе «Модель ЦНИИС» / В.А. Гарбер, М.Г. Дмитриев // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1974.-№81.

37. Гвоздев А.А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия / А.А. Гвоздев. М.: Стройиздат, 1949.

38. Голицынский, Д.М. Строительство тоннелей и метрополитенов / Д.М. Голицынский, Ю.С. Фролов, Н.И. Кулагин. М.: Транспорт, 1989.

39. ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Госстандарт Союза ССР, 1987.

40. Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных конструкций / С.С. Давыдов. -М.: Стройиздат, 1950.

41. Давыдов С.С. Основные принципы расчета подземных конструкций по предельному состоянию / С.С. Давыдов. Изв. АН СССР. ОТН, 1954. - № 6.

42. Дарков, А.В. Строительная механика / А.В. Дарков, Н.Н. Шапошников: Учебник. Стер. - СПб.: Лань, 2005. - 10-е изд.

43. Дмитриев М.Г. Некоторые вопросы пространственного расчета станций метрополитена глубокого заложения / М.Г. Дмитриев // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1968. - вып. 25.

44. Дмитриев М.Г. Математическая модель статической работы тоннельной конструкции («Модель ЦНИИС»). Совершенствование методов расчета тоннельных конструкций / М.Г. Дмитриев // Сб. научных трудов ЦНИИС Минтрансстроя, М.: Изд-во ЦНИИС, 1974. - №81.

45. Динник, А.Н. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок / А.Н. Динник, А.Б. Моргаевский, Г.Н. Савин // Труды совещания по управлению горным давлением. АН СССР, 1938.

46. Зенкевич J1.M. О расчете тонкостенных труб заложенных в земле / J1.M. Зенкевич // Гидротехника и мелиорация . 1952. - № 10.

47. Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов,

48. М.А. Олферьева. -М.: Изд-во УРСС, 2004.

49. Картозия, Б.А. Шахтное и подземное строительство / Б.А. Картозия, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик .- М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003.

50. Леванов Н.М. Железочугунные отливки / Н.М. Леванов. М.: Мен-гиз, 1948.

51. Левченко, А.Н. Организация освоения подземного пространства / А.Н. Левченко, В.Г. Лернер, Е.В. Петренко, И.Е. Петренко. М.: ТИМР, 2002.

52. Маковский В.Л. Современный опыт сооружения тоннелей и метрополитенов за рубежом. Техническая информация / В.Л. Маковский.-М., 1965.

53. Маковский В.Л. Современный опыт сооружения тоннелей и метрополитенов за рубежом. Техническая информация / В.Л. Маковский. М., 1970.

54. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения / Л.В. Маковский. -М.: Стройиздат, 1985.

55. Маковский Л.В. Проектирование автодорожных и городских тоннелей / Л.В. Маковский. -М.: Транспорт, 1993.

56. Маковский, Л.В. Автотранспортные тоннели в крупных городах и мегаполисах / Л.В. Маковский, С.В. Чеботарев, Н.А. Сулла. М.: ТМР, 2004.

57. Меркин, В.Е. Прогрессивный опыт и тенденции современного тоннелестроения / В.Е. Меркин, Л.В. Маковский. М.: ТИМР, 1997.

58. Мосолов Д.А. Расчет облегченной чугунной обделки на действие щитовых домкратов / Д.А. Мосолов // Исследование транспортных сооружений: Научн. тр. ОАО ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 2006. - вып. №230. - С. 54-62.

59. Мосолов Д.А. Облегченные чугунные обделки повышенной прочности для тоннелей метрополитенов / Д.А. Мосолов // Транспортное строительство. 2007.-№11.

60. Мосолов, Д.А. Мониторинг напряженно-деформированного состояния станции «Полянка» в Москве / Д.А. Мосолов и др. // Метро и тоннели. -2006,-№5.

61. Мостков, В.М. Современное состояние исследований при расчетах подземных гидротехнических сооружений / В.М. Мостков, С.А. Юфин // Строительная механика и расчет сооружений. 1989. - № 2. - с.78-79.

62. ОСТ 37.001.031-72 Затяжка резьбовых соединений. Классы соединений, ряды крутящих моментов и технические требования.

63. ОСТ 37.001.050-73 Затяжка резьбовых соединений. Нормы затяжки.

64. Орлов С.А. Расчет конструкций лежащих на контуре кругового выреза в плоскости / С.А. Орлов // Исследования по теории сооружений: сб. -М.: Госстройиздат, 1954. вып. 4.

65. Орлов, С.А. Применение стредов для измерений деформаций в чугунных тюбингах / С.А. Орлов, Ю.Н. Виноградов, B.JI. Бурнштейн // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1969. - вып. 33.

66. Песляк, Ю.А. Теория давления горных пород и метод расчета обсадных труб / Ю.А. Песляк, К.В. Руппенейт. М.: Гостоптехиздат, 1961.

67. Потапов, В.Д. Строительная механика: Статика упругих систем / В.Д. Потапов, А.В. Александров, С.Б. Косицын, Д.Б. Долотказин. М.: Высш. шк., 2007. - Книга 1.

68. Ренский А.Б. Тензометрирование строительных конструкций и материалов / А.Б. Ренский. М.: Стройиздат, 1977.

69. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление / И.В. Родин // Исследования горного давления: сб. М.: Госгортехиздат, 1961.

70. Руппенейт, К.В. Оценка прочности конструктивных элементов подземных сооружений / К.В. Руппенейт, В.В. Матвиенко. М.: Тр. ВНИИСТ,1962.-вып. 12.

71. Руппенейт, К.В. К вопросу о разработке инженерной теории горных пород на крепь выработок / К.В. Руппенейт, Ц. Гомес, JI.H. Кислер // Вопросы горного давления. Новосибирск, Сиб. отд. Ин-та горного дела АН СССР.: Изд-во АН СССР, 1962. - Вып. 13.

72. Рычков С.П. MSC.visual Nastran для Windows / С.П. Рычков. М.: НТ "Пресс", 2004.

73. Савин Г.Н. Влияние крепления на распределение напряжений вокруг узкой подземной горной выработки / Г.Н. Савин // Записки Ин-та горной механики АН УССР. 1947. - №5.

74. Семенов А.И. Практика обжатия тоннельной обделки в породу / А.И. Семенов // Метрострой. 1966. - № 2.

75. Смирнов А.Ф. Статическая и динамическая устойчивость сооружений / А.Ф. Смирнов. М.: Трансжелдориздат, 1947.

76. Смирнов, А.Ф. Строительная механика. Стержневые системы / А.Ф. Смирнов, А.В. Александров, Б .Я. Лащенников, Н.Н. Шапошников. М.: Стройиздат, 1981.

77. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 2001.

78. СП 32-105-2004. Метрополитены. Свод правил по проектированию и строительству. М.: ФГУП ДНИ Госстроя России, 2004.

79. Технические условия ТУ 35-522-97. Тюбинги из чугуна повышенной прочности. М.: НИЦ ТМ АО ЦНИИС, 1997.

80. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. -М.: Недра, 1987.

81. Федоров В.Л. Расчет круговой тоннельной обделки на действие различных нагрузок / В.Л. Федоров. М.: Тр. ЛПИ, 1940.

82. Филоненко-Бородич М.М. Об условиях прочности материалов, обладающих различным сопротивлением растяжению и сжатию / М.М. Фило-ненко-Бородич // Инженерный сборник Акад. наук СССР ОТН, 1954. том

83. Фотиева Н.Н. Расчет тоннелей обделок некругового поперечного сечения / Н.Н. Фотиева. М.: Стройиздат, 1974.

84. Фотиева Н.Н. Расчет крепи подземных сооружений в сейсмически активных районах / Н.Н. Фотиева. М.: Недра, 1980.

85. Фролов, Ю.С. Метрополитены на линиях мелкого заложения / Ю.С. Фролов, Ю.Е. Крук. М.: ТИМР, 1994.

86. Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены / В.Г. Храпов и др. // Под ред. В.Г. Храпова-М.: Транспорт, 1989.

87. Чеботаев В.В. Определение усилий в элементах конструкции по измеренным фибровым деформациям / В.В. Чеботаев // Сб. научных трудов ЦНИИС. М.: Изд-во ЦНИИС, 1968. - вып. 25.

88. Чеботаев, В.В. Определение нагрузок на крепь по измеренным деформациям / В.В. Чеботаев, В.А. Лыткин, Н.Н. Фотиева, Е.Н. Тарасенко // Устойчивость и крепление горных выработок: сб. ст. Л.: ЛГИ, 1976. - вып. 2.

89. Шапошников Н.Н. Расчет тоннельных обделок методом перемещений с использованием ЭЦВМ / Н.Н. Шапшников. М.: МИИТ, 1969.

90. Шестопал В.М. Отливки из чугуна. Свойства и конструирование / В.М. Шестопал, И.П. Егоренков. Москва-Свердловск: Мангиз, 1945.

91. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.visualNastran for Windows / Д.Г. Шимкович. -М.: ДМК Пресс, 2004.

92. Эристов B.C. Расчет тоннельной обделки на горное давление в упругой среде / B.C. Эристов // Гидротехническое строительство. 1946. - № 8.

93. Юфин С.А. Расчет подземных сооружений на ЭВМ методом конечных элементов / С.А. Юфин. М.: МИСИ им.Куйбышева, 1980.

94. Юфин, С.А. Сравнительный анализ численных методов решения задач геомеханики / С.А. Юфин, Р.Д. Харт, П.А. Кюндалл. М.: Энергетическое строительство, 1922. - № 7. - с.4-8.

95. Якобе В.В. О повышении экономической эффективности строительства тоннелей метрополитенов /В.В. Якобе // Транспортное строительство. -1971,-№2.

96. Wood A.M. Tunnelling / A.M. Wood. English.: Taylor & Francis, 2000.

97. Raymond W. Henn Backfill and Contact Grouting for Tunnels and Shafts / Henn Raymond W. USA.: ASCE Press, 2003.

98. Brinkgreve R.B.J. Plaxis 2D version 8 / Fl-Khoury R., Bakker K.J., Bonnier P.G. - The Netherlands.: Plaxis bv, 2002.

99. Browell R. The Power of Nonlinear Materials Capabilities. Part 1 of 2 on modeling materials with nonlinear characteristics / R. Browell, Dr. Guoyo Lin -English.: ANSYS Solutions, 2000., Volume 2, Number 1.

100. Duddeck, H. Зависимость от времени и другие нелинейности в теоретических моделях для расчета туннелей / Н. Duddeck, H.-W. Voltedt // Methods for Tunnel Des. London, 1978.

101. Flaxman E. W. Tate's mandrel method for lining cast iron mains with cement mortar in-situ / E. W. Flaxman. USA.: Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 1994.

102. Herman H.Saitz. Tunnel der Welt Welt derTtunnel / Saitz H. Herman. -Berlin.: Transpress, 1988.

103. West, G. Innovation and the Rise of the Tunnelling Industry / G. West -Cambridge, England.: Cambridge University Press, 1988.

104. Japan High Grade Cast Iron Founders Association // Special Report. -1968,- №2.

105. Lux К. H. Messungen in situ und daraus resultierende theoretische Uberlegungen zum Tragverhalten schildvorgetriebener / К. H. Lux // Tunnel mit Gusseisenauskleidung, Bautechnik. 1978. -№10. P.331-336, 378-384.

106. Lyons A.C. Modern cast iron tunnel and shaft linings / A.C. Lyons, A. J. Reed. New York.: Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 1974.

107. Maidl B. Mechanised Shield Tunnelling / B. Maidl, M. Herrenknecht, L.Anheuser. English.: Ernst & Sohn Verlag, 1995.186