автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологических решений при сооружении тоннелей метрополитена в городе Богота (Колумбия)

На правах рукописи

ТОРРЕС ПРАДА АДОЛЬФО КАМИЛО

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ СООРУЖЕНИИ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА В ГОРОДЕ БОГОТА (КОЛУМБИЯ).

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена на кафедре «Тоннели и метрополитены» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации».

Ведущее предприятие - ОАО "Метрострой"

Защита состоится «22» октября 2004 г. в 13 ч. 30 мин на заседании диссертационного совета Д218.008.01 в Петербургском государственном университете путей сообщения МПС по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский проспект, 9, аудитория 3-237.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Университета.

Автореферат разослан «$£» ... .......2004 г.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ГОЛИЦЫНСКИЙ ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук КУЛАГИН НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

кандидат технических наук, доцент ТИМОФЕЕВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор

^¿гсги^

С

.Л. МАСЛЕННИКОВА

//////

П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время столица Колумбии испытывает большие проблемы с организацией перевозок городского населения. Мировой опыт показывает, что наиболее радикальным средством решения транспортной проблемы г. Богота, насчитывающим 7 миллионов жителей, является строительство метрополитена.

Сложные инженерно-геологические особенности г. Богота и сейсмическая активность этого региона Южной Америки требуют проведения комплекса исследований для научного обоснования строительства первоочередных линий метро и выбора основных конструктивно-технологических решений. Все это предопределяет актуальность настоящей диссертационной работы.

Цель исследований - разработать рекомендации по усовершенствованию схемы пассажирских перевозок в г. Богота при строительстве метрополитена, а также обосновать конструктивно-технологические решения сооружения перегонных тоннелей на участках трассы со сложными инженерно-геологическими условиями.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- изучить инженерно-транспортную инфраструктуру и особенности геологических и гидрогеологических условий города, оценить пропускную способность городских магистралей Боготы и провозную способность пассажирского транспорта;

- определить перспективный пассажирооборот на метрополитене, на основании результатов изучения пассажирооборота всех видов наземного городского транспорта и основных пассажиропотоков на главных магистралях города;

- провести анализ Российского и мирового опыта проектирования и строительства метрополитенов с оценкой научно-технического уровня

»»ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ , БИБЛИОТЕКА |

принимаемых решений;

- разработать и обосновать основные положения генеральной схемы линий метрополитена в г. Богота;

- обосновать конструктивно-технологические решения строительство перегонных тоннелей метрополитена;

- исследовать методом математического моделирования влияние конструктивных параметров сборных железобетонных обделок повышенной водонепроницаемости на характер их напряжено-деформированного состояния в условиях строительства метрополитена в г. Богота.

Методы исследований основаны на комплексном подходе, включающим анализ и обобщение материалов, характеризующих транспортную инфраструктуру города Богота, пассажирооборот и пассажиропотоки в городе, анализ данных, опубликованных в технической литературе и освещающих Российский и мировой опыт проектирования и строительства метрополитенов, а также методы математического моделирования работы конструкций обделки.

Научная новизна данной работы определяется специфическими условиями строительства подземных транспортных сооружений в городе Богота. В работе:

- впервые выполнен анализ транспортной ситуации в городе Богота, по материалам, ранее проведенных, статистических исследований и научно обоснована целесообразность решения проблемы массовых пассажирских перевозок в Боготе путем использования метрополитена;

- произведен расчет минимальной протяженности линий метрополитена по величине перспективного пассажирооборота в городе и показателю транспортной напряженности линий;

- разработаны предложения по генеральной схеме линий метрополитена в Боготе и очередности их сооружения;

пи «Я»

- впервые даны рекомендации по конструктивно-технологическим решениям перегонных тоннелей метрополитена в г. Богота по результатам анализа мирового метростроения и с учётом оценки инженерно-геологических условий строительства и сейсмической активности данного региона;

- на основании теоретического анализа, установлено влияние конструктивных параметров сборных железобетонных обделок на характер их напряжено-деформированного состояния для условий строительства метрополитена в Боготе с учетом сейсмических воздействий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций по конструктивно-технологическим решениям обделок перегонных тоннелей обосновывается комплексным подходом и анализом мирового опыта тоннелестроения при решении задачи, сочетающем надежные и апробированные методы исследования и анализа конструкции использованием математических моделей

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты полученных исследований будут реализованы Институтом городского развития города Богота (I.D.U. - Instituto de Desarrollo Urbano de Bogotá) при корректировке генерального плана строительства Боготы для решения проблемы перевозок населения в городе, с учетом результатов, полученных в данной работе.

Кроме того, материал диссертации используется при разработке руководства по проектированию и строительству подземных транспортных сооружении в Боготе и является основой для создания раздела колумбийского нормативного документа по сейсмостойкости подземных сооружений.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных межвузовских научно-технических конференциях ПГУПС

«Неделя науки», и на научно-технических семинарах кафедры «Тоннели и метрополитены» ПГУПС в 2003 и 2004 гг., а также на техсовете Ассоциации строящихся тоннелей Колумбии в 2002г.,

Основные результаты диссертации отражены в 5 публикациях. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Содержит 132 страницы машинописного текста, в том числе: 68 рисунок, 18 таблиц, список литературы из 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность рассматриваемых вопросов и сформулирована цель работы. В работе использован опыт проектирования и строительства метрополитенов в России. Большой вклад в решение этой проблемы внесли ученые и также крупные специалисты России как: П.И.Балинский, А.Н. Пассек, Ю.А. Лиманов. В.Л. Маковский, В.П. Волков, Е.А. Демешко, В.Е. Меркин, И.Я. Дорман, Д.М. Голицынский, Ю.С. Фролов, А.П. Ледяев, Н.С. Булычев, H.H. Фотиева, С.Н. Власов, Н.И. Кулагин, В.Н. Александров, О.В. Тимофеев и др.

В первом разделе описываются инженерно-транспортная инфраструктура и особенности геологических и гидрогеологических условий города, оценивается пропускная способность городских магистралей Боготы и провозная способность пассажирского транспорта.

Богота была основана в 1538 году. Столица Республики Колумбия находится на высоте 2600 м над уровнем моря, на равнине, занимает площадь около 480 км2. В настоящее время, в Боготе уже насчитывается около 8 миллионов жителей, а согласно прогнозу к 2015 году население составит около 9 миллионов человек. Известно, что 72% боготинцев постоянно пользуются услугами городской службы транспорта.

В настоящее время эксплуатируется новая система автобусного общественного транспорта в Боготе, которая называется «Трансмиленио».

На главных проспектах системы перевозятся 15 тыс.пасс./ч. в одну сторону со средней скоростью автобусов 27 км/ч. С экологической точки зрения, при введении в эксплуатацию около 5000 новых автобусов, их воздействие на окружающую среду будет тяжелым. Несмотря на достоинства новой системы «Трансмиленио», с учетом количества населения города и объемов пассажиро-потоков, только строительство метрополитена может обеспечить эффективное стабильное решение городской проблемы массового транспорта пассажиров. Линии метрополитена не только разгрузят улицы города, но и обеспечат в два -три раза большие скорости сообщения, обслуживая пассажиропотоки от 25 до 40 тысяч пассажиров в одном направлении (при 4-х и 5-ти вагонах в составе поезда).

Предложения о создании общей транспортной системы для Боготы относятся к 1947 году. Последнее детальное изучение (1998) предварительного проекта системы метрополитена, интегрированной в сеть автобусного сообщения, было осуществлено международной группой предприятий. Как результат этого изучения, в 2000 году Правительство Боготы разработало План Территориального Развития Боготы (Ш Р), который определяет будущую оптимальную систему транспорта Боготы, включающую первую линию метро (ПЛМ). Концептуальный проект для метрополитена Боготы предлагает единственную линию, длинной 30 км и 25 станций. Предложенный вариант носит предварительный характер и нуждается в уточнении. Направление линии в этом варианте выбрано без учета основных пассажиропотоков города и не увязано с главными городскими магистралями и плотностью населения по микрорайонам. Не учтено также, что линии метрополитена формируют ось планировочных направлений перспективного развития городской застройки. Такое решение с единственной линией метро для Боготы не является эффективным вариантом. Оптимальная схема линий метро должна учитывать все факторы города в его совокупности.

Возрастающий спрос на транспортные услуги заставляет переходить на более совершенный скоростной внеуличный транспорт - метрополитен.

Инженерно-геологические условия района г. Богота достаточно сложные. Город Богота располагается на осадочных грунтах, типа песков и глин с включением валунов. Глубина слабых осадочных грунтов в зоне города доходит до 400 м.

Согласно нормативным документам, г. Богота находится в сейсмической зоне средней тяжести, где максимальное ускорение будет достигать 0,2 g (что соответствует VIII баллам по шкале MKS).

Во втором разделе были определены: перспективный пассажирообо-рот на метрополитене, изучены пассажирообороты всех видов наземного городского транспорта и пассажиропотоки на главных магистралях города; разработано и обосновано предложение по генеральной схеме линий метрополитена в Боготе.

Для определения динамики пассажиропотоков внутри города, проанализирован рост плотности населения различных районов города. Средняя плотность населения города составляет 190 человек на гектар, но население распределено по площади весьма неравномерно от 175 чел/га., до 300 чел/ra. В пригородных зонах наблюдается прирост населения более быстрыми темпами, чем в центральной части города.

В настоящее время, население города Боготы передвигается главным образом, используя «коридоры» автодорог. Таким образом, через главные магистрали и улицы сети дорог города реализуются около 9 миллиона пассажиров в сутки. Из них 5.5. миллиона приходится на общественный транспорт, 2,5 миллиона на автомобильный транспорт и остальные на различных альтернативных средствах транспорта. Прогнозируется, что количество пассажиров в сутки к 2015г достигнет 11.4 млн. При этом следует отметить, что доля общественного и альтернативного транспорта в перевозках составляет 67% от общего количества поездок.

Данные о перспективных пассажиропотоках на большинстве магистралей города и величина пассажирооборота между районами города свидетельствуют о том, что провозная способность пассажирского транспорта г. Богота находится на критической отметке и без строительства линий метрополитена, невозможно успешное решение проблемы городских массовых пассажирских перевозок.

По методике профессора Фролова Ю.С., была определена минимально необходимая протяженность всей сети линий метрополитена, которая, для обеспечения пассажирских перевозок, должна к 2015 году составлять не менее 157 км.

Рис. 1. Разработанная автором схема линий метрополитена г. Богота.

На основе проведенного анализа плотности распределения жителей

по районам города, существующей и перспективной сети автомобильных магистралей, провозной способности общественного транспорта, величины пассажиропотоков и пассажирооборота, с учетом определяющего социального фактора, была разработана и обоснована схема линий метрополитена Боготы, представленная на рис. 1. Схема включает 6 линий, 108 станций, из них 22 являются пересадочными.

В третьем разделе Автором более подробно рассматриваются конструктивно-технологические решения сооружения перегонных тоннелей метрополитена для центральной части первой линии метро, имеющая наиболее сложные инженерно-геологические условия и максимальную глубину заложения перегонных тоннелей.

Центральный участок трассы протяженностью 8 км, располагается в сложных условиях городской застройки, а также в зоне с густой сетью подземных коммуникаций и глубоких фундаментов отдельных зданий. Тоннели на этом участке необходимо проложить на глубине от 10 до 40 метров (рис. 2), кроме того, инженерно-геологические и гидрологические условия на этом участке являются самыми неблагоприятными и разнородными. Трасса тоннелей на этом участке пересекает два вида грунтов. Первый из них представляет слабый, песчаный, гравийный, глинистый и илистый обводненный грунт. Второй - состоит из пластичной глины и суглинка.

Как показывает мировой опыт метростроения, наиболее эффективным техническим решением, при строительстве линий метрополитена, проходящих через плотно застроенные городские кварталы центральной части города, следует считать сооружение перегонных тоннелей с помощью проходческих щитов. Слабые грунты в центральной части города, где располагаются крупные наземные сооружения и размещаются сети подземных коммуникаций требуют применения специальных способов работ при щитовой проходке, так как возможны осадки дневной поверхности. Такие сложные в инженерно-геологическом отношении участки трассы, имеют значительную протяженность, что дает основание рекомендовать использовать технологию щитовой проходки с активным пригрузом забоя.

При выборе типа пригруза забоя для условий проходки тоннелей в центральной части Боготы, эффективным решением является использование щитов с грунтовым пригрузом забоя для первого вида грунта, а для

Рис. 2. Инженерно-геологические условия по трассе перегонных тоннелей глубокого заложения первой линии

метро Боготы.

2580 2560 2540 2520 2500

я 5 = 1

И и

5р 18

I й

«тттт

2600 2580 2560 2540 2520 -2500

3

§

+ §

§

---- — УРОВЕНЬ ГРУНТОВ» вол

- ТРЮА

— лов&%ность

ГРАВИЙ

I ВЦП ПЕСОК

ГРУНТОВ кшикя ГЛИН*

. дщцщ ИЛ

2 ВИД гтит и

гитов СУГЛИНКИ

второго вида грунта целесообразно применять щиты с гидравлическим пригрузом забоя.

Кроме того, из-за наличия больших блоков из твердого песчаника по трассе и геологической неопределенности, рекомендуется использовать последнюю модифицированную схему щита, допускающую оперативное переоборудование с гидравлического на грунтовый пригруз и обратно. Такого типа щитовые комплексы с комбинированной системой гидравли-ческо-грунтового пригруза были успешно применены в последние годы при строительстве перегонных тоннелей метрополитенов во многих городах мира, в различных инженерно-геологических условиях, которые обеспечивают высокие темпы проходки (300-700 метров в месяц) при минимальных осадках поверхности земли (3-10мм) и высокое качество работ.

Новая технология щитовой проходки предполагает использование сборной железобетонной обделки различных типов, обладающих существенными технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими видами обделок.

Согласно общей классификации обделок перегонных тоннелей кругового очертания, сооружаемых закрытым способом, оптимальным конструктивным решением перегонных тоннелей для центральной части первой линии метро Боготы является сборная обделка из железобетона, с выделенными характеристиками, представленными на рис.3.

Для сборных железобетонных обделок в сейсмических условиях, необходимо обеспечить жесткость всей обделки в продольном направлении. Повышенная жесткость отдельных колец и всей обделки достигается прочные соединение блоков между забой. На основании проведенного анализа различных конструктивных вариантов, было установлено, что для обеспечения необходимой жесткости обделки, целесообразно

Рис. 3. Общая классификация обделок перегонных тоннелей кругового очертания, сооружаемых закрытым

способом.

По характеру вточемм обвалю а соамастму» работу с грунтовым

использовать для условий г. Богота пространственный металлический каркас, разработанный Г.Р. Росенвассером, В.В. Петруком, А.П. Буканом.

Размеры поперечного сечения перегонных тоннелей зависят от подвижного состава, который в разных странах имеет свои габариты. В настоящее время трудно прогнозировать какой подвижный состав для линий метро в Боготе будет использован в будущем. Но для первого приближения к технической решению, будем ориентироваться на габарит j приближения строений, оборудования и подвижного состава для перегонных тоннелей, который принят для метрополитенов России. В этом случае, внутренний радиус обделки составляет 2,55м, а внешний - 2,75 -3,0 м.

В четвертом разделе. Для оценки надежности выбранной обделки для центрального участка трассы метрополитена г. Богота, с помощью методов математического моделирования, было установлено характер взаимодействия конструкции с окружающим грунтом при сейсмических воздействиях.

Наиболее близкие подходы к решению интересующей нас задачи, являются оценка напряженно состояния сборных железобетонных обделок, выполняемая различными методами.

В работах E.H. Отпущенникова, H.A. Стрельчука, O.K. Славина, В.Н. Шапошникова, Г.Л. Хесина, И.Х. Костина, С.С. Mow, W.L. McCabe, показана правомерность использования решений статических задач для определения максимальных динамических напряжений на контурах одинаковых отверстий и одиночной полости, при условии, что длины волн намного превосходят размеры отверстий. В этом случае, максимальные сейсмические напряжения могут превышать статические не более чем на 15 %. Для расчета монолитных тоннельных обделок кругового поперечного сечения на совместное действие продольной и поперечной сейсмических волн, использовался метод, предложенный проф. H.H. Фотиевой.

В данной работе этим методом произведен расчет обделки тоннеля, расположенного в грунтах центрального участка трассы метрополитена г. Богота на глубине 40 м.

Напряженное состояние обделки, от действия длинной, произвольно направленной волны сжатия (продольной волны) осж, определяют на основании решения плоской квазистатической контактной задачи теории упругости для кольца, подкрепляющего вырез в линейно-деформируемой среде, работающего совместно с окружающей средой в соответствии с расчетной схемой (Рис. 4).

Рис. 4. Расчетные схемы к определению напряженного состояния круговых обделок от сейсмических волн сжатия (а) и сдвига (б).

а)

-Р

б)

НН1ПН

у о

Напряженное состояние на бесконечности имеет величины

1

'-¿^г* о»

где

к - коэффициент сейсмичности; у - объемный вес грунта, тс/м3;

с^- скорость распространения упругих волн сжатия м/с. - преобладающий период колебаний частиц грунта, с; Напряженное состояние обделки, от действия длинной, направлен-

ной под горизонтальным углом а к вертикальной оси симметрии выра-

ботки волны сдвига (поперечной волны) осдв, определяют на основании решения квазистатической контактной задачи.

Касательные напряжения на бесконечности имеют величины

где с^ - скорость распространения упругих волн сдвига, м/с.

Экстремальные значения напряжения ов определяют на основании решения следующих уравнений для каждого нормального (радиального) сечения обделки

>=0, ^82=0, (3)

да да

где

аА1=аА + аА (4)

ОХ О(СЖ) О «и»

СТА0 = аА ~ аА (5)

0«ж> О(глв)

здесь аа , аа - соответственно нормальные тангенциальные

напряжения в данном сечении обделки от действия волны сжатия и волны сдвига, направленных под углом а к вертикальной оси симметрии выработки.

Наибольшие сжимающие и растягивающие напряжения а^ в каждом сечении принимаются за расчетные. Усилия М и Ы, соответствующие этим напряжениям, вычисляют для каждого сечения, именно при тех сочетаниях действия волн разного характера и том их направлении, при которых получены экстремальные значения напряжений Стд.

Результаты определения напряженного состояния обделки получены по трем компонентам воздействия: от собственного веса пород, давления подземных вод и сейсмических волн. Из полученных результатов следует, что от собственного веса грунта, максимальные нормальные тангенци-

альные напряжения на внутреннем контуре достигают ст^= -16,9 МПа

при X = 0,40. Напряженное состояние, характеризуется максимальными усилиями Мтах = -124 кН*м, и Ы= 2583 кН. Между тем, при гидростатическом давлении получаются напряжения Стд= -3,3 МПа, а на сейсмику

-0,85 МПа при сжатии и Стд= 0,5 МПа при растяжении. На глубине

40 м динамический компонент, по сравнению со статическим, достигает только 5% на сжатие и 3% на растяжение. Таким образом, можно сделать вывод о том, что на такой глубине обделка работает практически на сжатие.

При исследовании напряженного состояния тоннельной обделки было рассмотрено несколько вариантов значения коэффициента бокового давления (X. = 0,40; 0,60; 0,80; 1,00), учитывая, что этот коэффициент для обводненного песка при землетрясении варьируется и его значение может достигать единицы. На рис. 5, показаны зависимости максимальных напряжений ав на обделке от коэффициента бокового давления X. Откуда следует, что зависимость между этими двумя факторами является обратно-пропорциональной.

Рис. 5. Зависимость величины максимальных напряжений от коэффициента бокового давления X.

Для данных геологических условий, коэффициент бокового давления X может быть определен по теории упругости, как:

Эта величина соответствует значению коэффициента X, полученный по механике грунтов: A = tg2U5-%) = tg2(45 - 25/2)=0Al (7)

Для такой величины коэффициента X, можем определить по графику 5. максимальные тангенциальные напряжений от собственного веса пород: <т0 внугр = -16,7 МПа в сечении 7 обделки и оге наруж = -11 МПа в сечениях 1 и 13 обделки.

Анализируя результаты настоящей серии расчетов, можно сделать вывод о том, что на глубине 40 м, обделка работает практически на сжатие. Для значения X ~ 0,80 величины максимальных напряжений в обделке уменьшается на 30% по сравнения со значением X ~ 0,42, а максимальные усилия при этом также уменьшаются.

В работах Ю.А. Лиманова и В.В. Свитина была обоснована возможность применения методов гидродинамики для расчета подземных конструкций, расположенных в слабых грунтах на сильные сейсмические воздействия.

В принятой методике расчета, круговая обделка тоннеля представляется в виде цилиндрической оболочки. Условие применимости теории оболочек КЛо<0,10, где Ю - толщина сечения обделки; Я - ее радиус, в противном случае, появляются погрешности расчета вследствие дифракции волн в теле конструкции. Воздействия на конструкцию складываются из горного давления, гидростатического давления и падающей сейсмической волны сжатия - растяжения.

Расчеты производились на совместное действие горного давления, гидростатики и волновых сейсмических нагрузок.

Максимальная амплитуда давления в падающей волне А определяется по формуле: А-р-С-У , кН/м2 (8)

где р = г/я - плотность среды, кН* с2/ м4; у - объемный вес грунта, кН/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; С - скорость продольной волны, м/с; V - скорость колебаний частиц грунта, м/с. Задавая скорость колебании частиц грунта, соответствующую баль-

ности землетрясения, можно нормировать расчетную величину сейсмиче

ского воздействия.

Уравнения движения цилиндрической оболочки

дв2

дв

а^

(9)

эе

12-Ял

50

+8Т

= (^И

9Г

где 5в,8г - окружное и радиальное смещения оболочки

Е,/л,р- модуль упругости, МПа; коэф. Пуассона; и плотность материала оболочки, кН» с2/ м4; Я, И - радиус и толщина оболочки, м; в - угловая координата, град с - текущее время, с;

б - величина давления на конструкцию, кН/м2.

(10)

где р0 - плотность жидкости, кН* с2/ м4;

£?„,£?„- давления от падающей и отраженной волн, кН/м2; цг-потенциал скорости отраженной волны, который отыскивается из уравнения

д2у1дцг 1 д2у/ _ 1 ЭУ дт2 х дт т2 дв2 С д12 где т - радиальная координата

С- скорость сейсмических волн, м/с.

Начало расчета совпадает с моментом соприкосновения фронта падающей волны с обделкой. В следующие моменты времени фронт падающей волны начинает перемещаться поперек сечения обделки; а фронт отраженной волны двигается от конструкции вглубь среды. Расчет проводится методом конечных разностей на ЭВМ с применением явной разностной схемы (рис.6). Оболочка и окружающая среда разбиваются радиусами и концентрическими окружностями на N узлов. В каждом узле, получившейся сетки, вычисляется потенциал скорости, окружные и радиальные смещения оболочки.

Для настоящего исследования было выбрано несколько факторов, по изменениям которых, можно судить о степени их влияния на работу обделок на сейсмические воздействия. Рассматриваемые факторы: форма сейсмической волны; период колебания волны; угол падения волны; глубина заложения; радиус обделок; приведенная толщина обделок; нагрузка на поверхности. Для каждого из этих входных факторов, было заранее определено число уровней в интервале варьирования.

Рис. 6. Расчетная схема.

нагружа 0(7)

1. Тоннель радиуса Я; 2. Фронт падающей волны; в - Уголь падения волны; Нв - Уровень подземных вод; Нч - Глубина заложения; Я - радиус обделок, ю - толщина обделок

Параметры грунта и материала конструкции не меняются. Приняты следующие параметры волны: скорость волны - 900 м/сек. и скорость колебания частиц фунта - 0,13 м/сек. Таким образом, число вариантов расчета необходимых для исследования, определяется как № = 27 и основной (нулевой) уровень исследований принимается для всех вариантов обделки при статических условиях (1 = 0 сек. сейсмических воздействий).

Влияние формы волны на напряженное состояние обделки: В первой серии расчетов моделировалась обделка радиусом 2,55 м, толщиной 0,25 м, глубиной заложения 20 м, и периодом колебания 1,2 с, при различной форме волны: 1) прямоугольная, 2) треугольная, 3) синусоидальная и 4) экспоненциальная. Для анализа полученных результатов, были рассмотрены эпюры максимальных напряжений он и ов, которые свидетельствуют о том, что при воздействий сейсмических нагрузок, влияние формы волны на напряжения в обделке оказалось незначительным. При всех формах волны напряжения на наружном контуре обделки он превышали статические в 2,6 раза, на внутреннем контуре обделки ов в 3,7 раза. Это объясняется заданными в расчетах глубиной заложения, соотношением жесткостей обделки и окружающего фунта, а также спектром волнового сейсмического воздействия.

Влияние периода колебания (Т) на напряженное состояние обделки: В этой серии расчетов было решено моделировать обделку радиусом 2,70 м, толщиной 0,30 м, и глубиной заложения 20 м с тремя разными периодами колебаний: 0,5 с, 1,0 с и 1,5 с. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что, при сейсмических воздействиях с разными периодами колебания волны, наблюдается прямо пропорциональная зависимость, то есть, чем больше период колебания падающей волны, тем больше напряжение на контурах обделки. Так для региона города Боготы при сейсмическом воздействии с периодом колебания волны Т=1,2 с, напряжения в обделке увеличиваются в 3 раза. Анализ полученных фафиков свидетельствует о

том, что изменение периода колебания сейсмической волны играет важную роль в напряженном состоянии обделки.

Влияние угла падения волны (0) на напряженное состояние обделки: В настоящей серии расчетов моделировалась обделка радиусом 2,70 м, толщиной 0,30 м, при глубине заложения 20 м и при трех разных углах падения фронта волны: 0°, 45° и 90° относительно поверхности.

Из результатов видно, что влияние угла падения на напряженное состояние обделки оказалось незначительным. Наибольшие изменения составляют порядка 1%. Это объясняется тем, что размеры обделки во много раз меньше сейсмических параметров волны и она взаимодействует с конструкцией тоннеля практически моментально.

Влияние глубины заложения (Нз) на напряженное состояние обделки: Для этой серии расчетов обделки были приняты следующие глубины заложения: 8 м, 15 м, 20 м, 30 м и 40 м. Моделировалась обделка радиусом 2,70 м, толщиной 0,30 м, при разных периодах колебаний и углах падения фронта волны. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что увеличение глубины заложения дает существенное изменение напряженного состояния обделки, связанного со статическим увеличением веса вышележащих пород. В тоже время, при увеличении глубины заложения влияние сейсмического воздействия на конструкции уменьшается. Например, при периоде колебания сейсмической волны Т=1,2 с, для глубины 8 м максимальное напряжение в обделке увеличивается в 3 раза а для глубины 30 м это увеличение составляет только 1,5 раза. При периоде колебания Т=0,5 с, для глубины 30 м, увеличение напряжения составляет всего - 0,6 раза. Результаты серии расчетов показывают, что при воздействии сейсмических нагрузок на обделки, глубина заложения тоннеля играет существенную роль.

Влияние радиуса обделки (Я) на напряженное состояние конструкции: Для данной серии расчетов было принято 5 значений радиусов об-

делки Я= 1,87; 2,15; 2,32; 2,55 и 3,10м. Для каждого расчета была соответственно изменена и толщина обделки по соотношению = Я/10., при глубине заложения - 20м, периоде колебания -1,2 с.

Анализ эпюр максимальных напряжений он и ств в обделке при воздействии сейсмических нагрузок показывает, что увеличение размера обделки дает существенное уменьшение напряжений во всех рассматриваемых сечениях и подтверждает наличие существенной зависимости между размерами конструкции и сейсмическими параметрами волны. Результаты выполненных расчетов показывают, что при воздействии сейсмических нагрузок на круговую обделку, размер обделки играет существенную роль, а величина оптимального радиуса составляет от 2,15 до 2,55 м, при принятом соотношении толщин -11/10.

Влияние приведенной толщины обделки (Ю) на её напряженное стояние: Для данной серии расчетов моделировалась обделка радиусом 2,55 м, глубиной заложения 20 м и периодом колебания сейсмоволны 1,2 с. Было принято 4 варианта толщины обделки: 15; 20; 25 и 30 см, при соотношении 5.9%< ЯЛо <11.7% .

Анализ эпюры максимальных напряжений показывает, что увеличение толщины обделки дает существенное уменьшение напряжений. Так, для волнового воздействия с углом падения волны 45°, при увеличении толщины обделки с 15 см (что соответствует отношению 11/1:0=5,9%) до 20 см (что соответствует отношению Мо=7,8%), напряжения ов уменьшаются примерно на 22%, а при дальнейшем увеличении толщины до 30 см (что соответствует отношению К/ю=11,7%) уменьшение составляет примерно 57%. Изменение напряжения он соответственно уменьшаются на 31 и 54%. Результаты настоящей серии расчетов показывают, что при воздействии сейсмических нагрузок на обделку, её толщина существенно влияет на напряженное состояние по сравнению с другими анализируемыми параметрами.

Влияние нагрузки на поверхности на напряженное состояние обделки: Был произведен расчет оптимизированной конструкции обделки при воздействии на неё сейсмических нагрузок в случае приложения нагрузки на поверхности, расположенной по трассе тоннелей. Для данной серии расчетов моделировалась обделка с радиусом 11=2,55 м, толщиной 1о=0,25 м, глубиной заложения 8 м и периодом колебания Т=1,2 с. и равномерно распределенной нагрузке на дневной поверхности интенсивностью 2 Т/м2, которая располагалась симметрично оси тоннеля на протяжении 20 м. Анализ полученных графиков свидетельствует о том, что наличие нагрузки на поверхности оказывает положительное влияет на напряженное состояние обделки тоннеля при сейсмических воздействиях. Снижение значений изгибающих моментов в обделке, в зависимости от угла падения волны, достигают 24%.

Рекомендации для проектирования:

1. Для условий Боготы, расстояние между антисейсмическими деформационными швами по оси тоннеля составит ~ 21 м.

2. Расчеты подземных конструкций на сейсмические воздействия для условий г. Богота следует производить методами волновой механики с учетом поверхности земли и нелинейным характером работы материалов модели и геометрической нелинейности обделок.

3. По возможности, назначать глубину заложения трассы метрополитена не менее 20 м, так как с глубиной напряжения в конструкции при сейсмических воздействиях снижаются.

4. При глубине заложения трассы метрополитена менее 20 м целесообразно использовать антисейсмические мероприятия в виде сборной железобетонной или монолитной плиты толщиной не менее Ьпл > 50 см, расположенной на поверхности земли над трассой метрополитена. Как показал анализ, в этом случае наличие груза значительно снижает усилия в обделке при сейсмических нагрузках.

4. Следует применять оптимальный радиус обделки, полученный в результате анализа и лежащий в пределах 2,15 < Копт < 2,55 м при толщине обделки Ю < Яопт/Ю.

ОБЩИЕ ВЬШОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. На основе анализа и обобщения материалов, характеризующих провозную способность пассажирского транспорта Боготы и возрастающий спрос на транспортные услуги, а также анализа данных, освещающих Российский и мировой опыт проектирования и строительства метрополитенов, обоснована необходимость решения проблемы массовых пассажирских перевозок путем строительства метрополитена.

2. По результатам анализа плотности распределения жителей в районах города, провозной способности общественного транспорта, величины пассажиропотоков и пассажирооборота уточнена и обоснована схема линий метрополитена Боготы. Протяженность линий на ближайшую перспективу (10 лет) составляет 157 км

3. С учетом инженерно-геологических условий при строительстве тоннелей глубокого заложения в центральной части Боготы, рекомендована технология щитовой проходки перегонных тоннелей с пригрузом.

При выборе типа пригруза забоя для условий проходки, наиболее эффективным решением является использование модифицированной схемы щита, допускающую оперативное переоборудование с гидравлического на грунтовый пригруз и обратно.

4. Оптимальным конструктивным решением обделки перегонных тоннелей для центральной части первой линии метро Боготы является сборная обделка из железобетона с пространственным металлическим каркасом, как наиболее подходящее решение для обеспечения жесткости тоннелей в сейсмических условиях.

5. В результате теоретических исследований, проведенных на математических моделях разными методами, установлено, что из всех проанализированных факторов, толщина обделки и период колебания волны наиболее существенно влияют на напряженное состояние конструкция тоннеля при сейсмическом воздействии.

6. С учетом сейсмической активности района, а также геологической неопределенности по трассе метро, необходимо в дальнейшем проводить более подробные исследования для оценки эффективности работа предложенной конструкции обделки перегонного тоннеля.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Проблема общественного транспорта в городе Богота. Тезисы доклада научно-техн. конференции «Неделя науки» ПГУПС, СПб. 2003.

2. Обоснование схемы метрополитена для столицы Колумбии, (метрополитен в решении транспортной проблемы Боготы). «Метро и тоннели», № 6,2003 г. М. (соавтор - Голицынский Д.М.).

3. Рекомендации по щитовой проходке и конструктивному решению обделки перегонных тоннелей метрополитена в городе Богота (Колумбия). Тезисы доклада научно-техн. конференции «Неделя науки» ПГУПС, СПб. 2004.

4. "Concideraciones de la respuesta de túneles profundos construidos en suelos blandos ante un evento sísmico". «AICUN», №3, 2004 г., Bogotá.

5. Выбор конструктивно-технологических решений для перегонных тоннелей метрополитена в городе Богота. «Метро и тоннели», №4, 2004 г, М.

Подписано к печати 29.09.04г. Печ.л.-1,5

Печать - ризография. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1\16

Тираж 100 экз. Заказ № ЗУу._

CP ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

i

1184 87

РЫБ Русский фонд

2005-4 13371

*

i

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНЫХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ Г. БОГОТА.П

1.1 Характеристика городской территории и рост численности населения.

1.2 Главные характеристики транспортной системы города Боготы.

1.2.1 Инфраструктура и сеть автодорог.

1.2.2 Количественный состав автомобилей в Боготе.

1.2.3 Новая система массового городского пассажирского транспорта, «Таисмгаенио».

1.3 Природные условия.

1.4 Инженерно-геологические условия.

1.4.1 Условия региональной геологии.

1.4.2 Сейсмические условия.

1.5 Обоснование необходимости строительства метрополитена в Боготе.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ТРАССЫ МЕТРОПОЛИТЕНА В Г. БОГОТЕ.

2.1 Пассажиропотоки и их особенности.

2.2 Основание схемы линий метрополитена.

2.3 Протяженность линий и длина перегонов.

2.4 Особенности трассы первой очереди строительства.

ГЛАВА 3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ НА ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПЕРВОЙ ЛИНИИ МЕТРОПОЛИТЕНА В Г. БОГОТА.

3.1 Обоснование выбора типа очертания перегонных тоннелей.

3.2 Технология строительства перегонных тоннелей щитовым способом.

3.2.1 Анализ мирового опыта сооружения перегонных тоннелей метрополитена при щитовой проходке.

3.2.2 Рекомендации по щитовой проходке.

3.3 Конструкции обделок перегонных toi шелей при закрытом способе производства работ.

3.3.1 Общие сведения.

3.3.2 Особенности конструкций сборных железобетонных обделок, в сейсмических условиях.

3.3.3 Рекомендации по конструктивному решению обделки перегонных тоннелей на центральной части первой линии метро.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБДЕЛОК С ОКРУЖАЮЩИМ

ГРУНТОМ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Анализ методов расчета обделок перегО! шых toi и шлей метрополитена на сейсмические воздействия.

4.2 Исследования статическим методом кольцевой обделки.

4.3 Исследование взаимодействия грунта и тоннельных обделок методами гидродинамики.

Проблема общественного транспорта для густонаселенных столиц южная Америка сегодня стоит как никогда остро. Существующие системы автобусного и троллейбусного сообщения не в состоянии обеспечить нормальный рабочий ритм многомиллионных городов, в большинстве которых отсутствует трамвайное сообщение. Между тем общеизвестно, что единственным способом радикального решения транспортных проблем мегаполисов является сооружение метрополитена.

В Санта—Фе-де-Боготе, столице Республики Колумбия, с момента основания до первой половины XX века, развитие городского транспорта шло успешно и соответствовало уровню развития столицы с её инфраструктурой и ростом населения. После 40х годов XX века, вследствие гражданской войны, происходило массовое переселение из провинций в большие города, население столицы быстро увеличивалось и, в настоящее время, в Боготе уже насчитывается около 7 миллионов жителей.

В городе Богота существуют широкие современные проспекты с высокой пропускной способностью, имеющие до 6 полос для движения в одну сторону, однако в центре города располагаются узкие улицы, имеющие максимум 1 - 3 полосы для движения в одну сторону.

Количество зарегистрированных частных автомобилей в столице в последние годы, быстро возрастает, что является основной проблемой городского транспорта. При этом возникают вторичные проблемы, такие как, загрязнение среды, шум, повышение опасности для жизни, и т.д.

В настоящее время в Боготе было зарегистрировано более 900.000 частных автомобилей и только 31.000 автобусов.

Частные автомобили, занимая 95% пропускной способности местных дорог, транспортируют только 20% населения. Автомашины затрудняют передвижение пешеходов, движутся с низкой скоростью, загазовывают атмосферу, создают проблему парковки в неразрешенных местах. Каждый год в эксплуатацию вводится 50.000 новых машин. Это значит, что для их нормального движения необходимо строить ежегодно более 1000 км новых полос дорог.

Состав городских автобусов в городе Богота, на 25 Августа 2002 г.

Вид машины Количество

Автобусы 11.848

Средние автобусы 9.210

Микроавтобусы 10.679

ВСЕГО 31.737

Представленные данные не распространяются на автобусы новой системы «Трансмиленио»1 (TransMilenio)

72% боготинцев ездят на автобусах, а каждый человек в среднем тратит один час и пять минут на путь со средней скоростью 12 км/ч. Согласно статистическим данным, боготинец тратит 16% своего времени на передвижение в транспорте, это значит, что к 70-летнему возрасту каждый боготинец затратит 10 лет своей жизни. Считается, что для решения транспортной проблемы необходимо изменить настоящую систему, в которую должен быть включен метрополитен.

Мэрия Боготы пытается вводить экстраординарные правила движения для решения транспортной проблемы. К ним относится правило «Пик и номер», по которому запрещается эксплуатация частных автомобилей с определённой последней цифрой регистрационного знака (номера) по конкретным дням недели. А также реверсирование полос движения, когда транспортная магистраль в часы пик открыта только в направлении к центру города или к спальному району. Кроме того, возникают вторичные проблемы, такие, как загрязнение, шум, повышение опасности для жизни, неудобства, и т.д. Сложилось крайняя необходимость модифицировать современную систему транспорта.

Предложения о создании общей транспортной системы для Боготы относятся к 1947 году, когда мэр столицы Фернандо Масуэра Бильегас представил бюджет предполагаемой линии городского сабвэя.

Первое детальное изучение и разработка предварительного проекта системы метрополитена было проведено в 1981 году, в связи с заключением договора Мэрии Боготы с международной группой консультационных предприятий, специализирующихся на городском пассажирском транспорте: «INECO» (Инженерия и Экономика Транспорта Испании), «SOFRETU» (Французское Общество Изучения и Реализации Городского Транспорта) и «Consultorfa у Sistemas

1. новая система автобусного общественного транспорта в Боготе.

Ltda» (Консультирование и Системы ЛТД, Колумбия), которые наметили пути реализации системы общественного транспорта для Боготы.

Среди базовых аспектов, разработанных в данном проекте, рассматривались вопросы, включающиие привязку автобусного сообщения к линии метрополитена, а также приоритетные пассажиропотоки.

По проекту предусматривалось, что приоритетная линия метрополитена будет иметь длину в 21 км, из которых 7,4 км пройдут по поверхности и 13,6 км будут подземными. Линия должна была иметь 23 станции, в том числе 6 наземных и 17 подземных.

Второе детальное изучение предварительного проекта системы метрополитена, интегрированной в сеть автобусного сообщения, было осуществлено международной группой предприятий Ingetec, Bechtel и Systra.

На этом этапе, включающем наземные и подземные участки трассы первой линии метро в Боготе, был поставлен вопрос о необходимости продолжения инженерных исследований на более детальном уровне.

В представленной таблице приведены основные проекты и исследования по системам общественного транспорта и метрополитена в столице Колумбии, городе Санта-Фе-де-Богота.

ГОД ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОБЩЕСТВЕННОГО ТРАНСПОРТА И МЕТРОПОЛИТЕНА ГОРОДА САНТА-ФЕ-ДЕ-БОГОТА

1947 Предложение мэра города Фернандо Масуэра Вильегас о создании сабвэя для Боготы (предварительный проект с указанием потенциального проложения линии).

1954 Предложение Колумбийского общества архитекторов о создании системы общественного транспорта в Боготе с определением приоритетных линий метрополитена.

1955 Предложение японско-западногерманского консорциума о концесии на создание метрополитена. Проект определял актуальность и возможность проложения подземных линий метрополитена.

1967 Проект общественного транспорта предприятий «Apron, Adic, Par» с проработкой сооружения линии электропоезда на уровне предварительного проекта.

1972 Альтернативные маршруты общественного транспорта - проект городского и транспортного развития - Фаза И - совместная разработка Административного департамента планирования г. Богота и предприятий «Llewlyn - Davies Weeks Forestier - Walker & Bor, Kates Peat Marwik & Co., Cooper's & Lybrand у Consu^cnicos Ltda». Предложены маршруты для детальной разработки.

1975 Создание Комиссии по изучению проблем общественного транспорта Министерства гражданских сооружений Колумбии. Предложение о создании железнодорожного коридора в системе городского транспорта.

1981 Проект реализации системы общественного транспорта Боготы - совместная разработка Мэрии Боготы и фирмы «Ineco - Sofretu - Consultoria у sistemas», в котором впервые детально исследован предварительный проект сооружения линии метрополитена.

1987 Создание проекта модернизация системы железнодорожного транспорта Боготы для адоптации к системе общественного транспорта для населения. Проект разработан министерством гражданских сооружений и транспорта, при поддержке Президента республики, колумбийских предприятий (Ingetec S.A. и Национального Университета), иностранных фирм (Bechtel Engineering LC).

1990 Проект актуализация и реализация системы общественного транспорта Боготы. Совместная разработка колумбийского акционерного общества «Метрополитен» и «Ineco».

1994 Представлены альтернативные проекты интеграции метрополитена в систему городского транспорта, (в частности, на базе автобусного сообщения - «Metrobus», тяжелых поездов -«Simens» и легких поездов - «Metrovias»).

1997 Разработка Концептуального проекта интегрированной системы общественного транспорта Боготы Национальным фондом развития «FONADE -DIMP» совместно с фирмами «Ingetec -Bechtel - Systra». Второе детальное исследование системы метрополитена во взаимодействии с внутригородским и дальним автобусным сообщением.

1998 Концепция финансового и материального обеспечения Первой линии метрополитена г. Санта-Фе-де-Богота Мэрией Боготы (Фаза I) и Министерством производства и общественного кредитования (Фаза II), совместно с предприятием «Transport Research Laboratory».

Схема первой линии метрополитена Боготы представлена на рисунке 1.6 Линия имеет длину 30 км, состоит из трех различных участков:

1. северный участок, вначале планировавшийся как тоннель неглубокого заложения, однако, в ходе развития проекта, был выбран альтернативный вариант виадука. Длина около 10 км, на участке запроектировано 7 станций.

2. центральный участок, относящийся к подземной части линии. Длина около 7,5 км, максимальная глубина заложения 44 м, 6 подземных станций.

3. южный участок, виадук длиной около 12 км, насчитывает 10 станций.

Наиболее сложным участком является центральный, пересекающий историческую зону города и связанный с проходкой тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях. Для него необходимо разработать основные конструктивные и технологические решения перегонных тоннелей метро, обеспечивающие безопасное выполнение проходческих работ и надежность подземных сооружений в период их эксплуатации. Этому вопросу в основном и посвящена данная работа.

В настоящее время в Боготе эксплуатируется новая система общественного транспорта в Боготе, которая называется «Трансмиленио». Она заключается в следующем:

Используются современные модели автобусов вместимостью до 160 пассажиров, движение которых производится по закрытым для других видов городского и индивидуального транспорта магистралям, что существенно сокращает время прохождения маршрута.

Создана инфраструктура, обеспечивающая бесперебойную эффективную работу транспортной системы. Она включает в себя эксклюзивные магистрали и полосы движения на общих магистралях, специально оборудованные станционные комплексы, пересадочные узлы, гибкую систему предоплаты.

Несмотря на введение новой системы «Трансмиленио» массового транспорта, которая призвана решать современные проблемы транспорта в столице Колумбии, это проблема может быть решена только путем сооружения линий метрополитена. Инфраструктура системы «Трансмиленио» будет только интегральной частью будущей запланированной системы транспорта вместе с линиями метрополитена.

Практика мирового метростроения и опыт эксплуатации метрополитенов в 100 городах различных стран и континентов убедительно доказывает, что для эффективного решения транспортной проблемы в городах с населением, превышающим миллион жителей, другой альтернативы метрополитену нет. Как показывает опыт организации общественного транспорта крупных и крупнейших городов мира, при самых благоприятных дорожных условиях, автобусы и троллейбусы могут перевозить только от 3-х до 6-ти, а сочлененные — до 10-ти тысяч пассажиров в час в одну сторону. При этом скорость сообщения остается весьма незначительной (15-17 км/ч.). Линии метрополитена не только разгрузят улицы города, но и обеспечат в два -три раза большие скорости сообщения, обслуживая пассажиропотоки от 25 до 40 тысяч пассажиров в одном направлении (при 4-х и 5-ти вагонах в составе поезда).

Необходимость развития транспортной системы города зависит от его величины, которую по современной классификации устанавливают по численности жителей, так: крупные - 250-500 тыс., крупнейшие - более 500 тыс. человек. В последние годы в самостоятельную группу выделяют города с населением более 1 млн. человек.

В настоящее время решение транспортной проблемы города, путем организации массовых пассажирских перевозок на метрополитене, должно осуществляться на строго научной основе. Мировой опыит проектирования и строительсва метрополитенов на сегодняший день действително очень большой, так почти в 100 городах более чем 30 стран мира эксплутируется метрополитены. Первая в мире линия метрополитена была открыта 10 января 1863 в Лондоне по проекту Чарля Пирсона. Длина первой линии Лондонского метрополитена составляла 3,6 км и была задействована с применением паровозной тяги, как самого совершенного вида тяги того времени. Так как в те времена во многих странах мира железная дорога уже получила признание, предложение лондонского сооружения подземной городской железной дороги нащло горячих сторонников. Эксплуатация первого метрополитена значительно осложнялась большой задымленностью, удаление дыма из тоннелей было одной из самых сложных проблем. Но, несмотря на эти препядствия, первый метрополитен показал большие преимущества перед наземным транспортом и стал быстро развиваться. К наиболее крупнейшим метрополитенам мира относятся:

Город Пуск в эксплуатац ию Перевозка пассажиров (млн.чел. в год) Количе ство линий Длина линий (км) Количество станций Парк вагонов Интервал часы пик (ми)

Лондон 1863 728 11 394 271 4582 2,5

Нью-Йорк 1871 997 26 398 469 5866 2-4

Париж 1900 1201 15 201 370 3481 1,5-4

Токио 1927 2739 12 230 217 2917 2-4

Осака 1933 1002 7 106 85 1022 2

Москва 1935 3184 9 244 150 4060 1,5

С. Петербург 1955 810 4 92 54 1205 1,5

Мехико 1969 1444 9 158 135 2424 2,5

Пекин 1969 840 2 40 29 304 2-4

Сан-Паулу 1974 624 3 44 41 588 1,5-3

Очень важную роль в развитии системы метрополитенов сыграл советский опыт строительства метро. С 30-х годов в СССР былы построены более 500 км линий и более трёхсот станций метро. Первые работы по строительству метрополитена были опубликованы в России еще в 1904 г. инженером П.И.Балинским. В дальнейшем большой вклад в разработку различных аспектов этой проблемы внесли такие ученые и специалисты России, как П.И.Балинский, А.Н. Пассек, Ю.А. Лиманов. В.Л. Маковский, В.П. Волков, Е.А. Демешко, В.Е. Меркин, И.Я. Дорман, Д.М. Голицынский, Ю.С. Фролов, А.П. Ледяев, Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева, С.Н. Власов, Н.И. Кулагин, В.Н. Александров, О.В. Тимофеев и др.

В центральной части крупнейших городов в условиях плотной застройки, при наличий архитектурных, исторических памятников и разного рода охранных зон, при необходимости пересечения значительных по глубине и ширине водотоков, как правило, строят линии метрополитена глубокого заложения, несмотря на высокую стоимость и значительные трудозатраты. В этой ситуации находится центральная часть города Боготы, где необходимо проектировать линию метрополитена при условии, что она должна быть подземной, а для ее проекта должны быть приняты во внимание важные аспекты, учитывающие особенности инженерно-геологических условий, гетерогенность грунта и свойств материалов, связанных с геотехническими и сейсмическими факторами. Поэтому вопросы выбора оптимальных конструкции и технологии сооружения тоннелей метрополитена приобретают особое значение.

Основные научные и практические результаты диссертационной ра-боты сводятся к следующему:

1. На основе анализа и обобщения материалов, характеризующих провозную способность пассажирского транспорта Боготы и возрастающий спрос на транспортные услуги, а также анализа данных, освещающих Российский и мировой опыт проектирования и строительства метрополитенов, обоснована необходимость решения проблемы массовых пассажирских перевозок путем строительства метрополитена.2. По результатам анализа плотности распределения жителей в районах города, провозной способности общественного транспорта, величины пассажиропотоков и пассажирооборота уточнена и обоснована схема линий метрополитена Боготы. Протяженность линий на ближайшую перспективу (10 лет) составляет 157 км

3. С учетом инженерно-геологических условий при строительстве тоннелей глубокого заложения в центральной части Боготы, рекомендована технология щитовой проходки перегонных тоннелей с пригрузом.При выборе типа пригруза забоя для условий проходки, наиболее эффективным решением является использование модифицированной схемы щита, допускающую оперативное переоборудование с гидравлического па грунтовый пригруз и обратно.4. Оптимальным конструктивным решением обделки перегонных тоннелей для центральной части первой линии метро Боготы является сборная обделка из железобетона с пространственным металлическим каркасом, как наиболее подходящее решение для обеспечения жесткости тоннелей в сейсмических условиях.5. В результате теоретических исследований, проведенных на математических моделях разными методами, установлено, что из всех проанализированных факторов, толщина обделки и период колебания волны наиболее существенно влияют на напряженное состояние конструкция тоннеля при сейсмическом воздействии.6. С учетом сейсмической активности района, а также геологической неопределенности по трассе метро, необходимо в дальнейшем проводить более подробные исследования для оценки эффективности работа предложетпюй конструкции обделки перегонного тоннеля.

1. Адлер Ю.П., Макарова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

2. Айталиев Ш.М., Масанов Ж.К., Махметова Н.М. Устойчивость обделок станции метрополитена при землетресении. Транспортное строительство. 1991,№11.

3. Айталиев Ш.М., Масанов Ж.К., Махметова Н.М. Устойчивость обделок станции метрополитена при землетрясении. Транспортное строительство, 11, 1991. с. 27-29.

4. Аксененко Н.Е., Бурносов Н.М., История железнодорожного транспорта России и Советского Союза. Том 2. МПСРФ и ПГУПС. Санкт-Петербург Москва, 1997,

5. Александер К.Э., Руднева Н.А., Скоростной рельсовый транспорт в градостроительстве. Москва. Стройиздат, 1985.

6. Александров А.В., Лащеников Б.Я., Шапошников Н.Н. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы. М.: Стройиздат, 1983. 488 с.

7. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1975, 271 с.

8. Барбакадзе В.Ш., Мураками Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформируемых средах. М.: Сторйиздат, 1989. 472 с.

9. Бетонные и железобетонные конструкции. СНиП 2.03.01.84. М.: Стойиздат, 1985.79 с.

10. Большая победа тоннельщиков России Лефортовский тоннель. Интервью с Шварцманом В.Л. и Грачевым В.П.; Метро и тоннели, 1, 2003.

11. Бребия К. др. Методы граничных элементов. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 524 с.

12. Булычев Н.С. Расчет многослойных обделок тоннелей кругового сечения на сейсмические воздействия при землетрясениях. Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений. Ташкент., 1977.

13. Булычев Н.С, Механика подземных сооружений в примерах и задачах, Москва., Недра, 1989. 124

14. Голицыпский Д.М., Свитин В.В., Соколов М.Ю., Иванес Т.Е. Основы Научных исследований. Санкт-Петербург, ПГУПС, 1995.

15. Голицыпский Д.М., Фролов Ю.С., Строительство тоннелей и метрополитенов. Транспорт, 1989.

16. Городецкий А.С., Заворицкий В.И., и др.. Автоматизация расчетов транспортных сооружений. М.: Транспорт, 1989. 232 с.

17. Дориан И.Я., Кузьмин А.В. Спектральный метод определения действующих на транспортные тоннели сейсмических нагрузок. Проблемы сейсмостойкости и виброакустики. М.: ЦНИИС, 1991. с. 4-8.

18. Дорман И.Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей., Москва.: ТИМР, 2000.

19. Дорман И.Я. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. М.: Транспорт, 1981.

20. Дорман Я.А. Кузьмин А.В. Спектральный метод определения действующих на транспортные тоннели сейсмических нагрузок, "проблемы сейсмостойкости и виброакустики". М.: ЦНИИС, 1991.

21. Ержанов Ж.С., Айталиев Ш.М. Алексеева Л.А. Динамика тоннелей и подземных трубопроводов. Алма-Ата: Наука, 1989.

22. Зайченко А.С. Личный автомобиль в жизни американцев. За рулем. 10. 1986.

23. Заруцкий В.А. Уравнения равновесия ребристых цилиндрических оболочек. Теория пластин и оболочек, из-во АН УССР, 1962.

24. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей. Минтранспорт ВСН 193-81, Москва, 1982.

25. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании транспортных тоннелей. ВСН 193-

26. Минтрансстрой. М.: 1982, 68 с.

27. Концепция защиты дренажно-коммуникационного и тоннели, 3, 2003.

28. Кузьмин А.В. Построение расчетных схем «обделка грунт» в задачах о сейсмическом воздействии землетрясений. Проблемы сейсмостойкости и виброакустики. М.: ЦНИИС, 1991. с. 47-49.

29. Лиманов Ю. А. Моделирование работы тоннелей. М. 1985. 125 тоннеля от влияния сейсмических воздействий. Росенвассер Г.Р., Петрук В.В., Букань А.П. Метро

30. Макаров О.Н., Маркин В.Е. Транспортные тоннели и метрополитены. М.: ТИМР, 1991.172 с.

31. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М.: Стройиздат, 1985. 439 с.

32. Маковский Л.В. Перспективы конструктивные и технологические решения в тоннелестроении. Транспортное строительство, 1991, 4, с. 28-30.

33. Маковский Л.В. Перспективы развития транспортного тоннелестроения. Транспорт, 1991, 7, с. 9-15.

34. Маковский Л.В. Проходка тоннелей с предварительным гелеобразованием. Метрострой, 1990, 8, с. 25-26.

35. Масапов Ж.К., Баймаханов И.Б., Махметова Н.М. Реакция станции метро в неоднородном грунте на сейсмическое воздействие. Механика подземных сооружений. Тула, 1988.

36. Масанов Ж.К., Баймаханов И.Б., Махметова Н.М. Реакция станции метро в неоднородном грунте на сейсмическое воздействие. Механика подземных сооружений. Тула, 1988. с. 18-25.

37. Михайлов Б.К. Пластины и оболочки с разрывными параметрам. Л.: ЛГУ, 1980.

38. Моги К. Предсказание землетрясений: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 382 с.

39. Напетваридзе Ш.Г. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. М.: Госстройиздат, 1959.

40. Нерубайло Б.В. Локальные задачи прочности цилиндрических оболочек. М.: Машиностроение, 1983. 248 с.

41. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз, 1962, 431 с.

42. Окамото Ш. Сейсмостойкость инженерных сооружений: Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1980. 342 с.

43. Отпущеников Е.Н., Костин И.Х. Экспериментальное иследование дифракции плоской волны на снстаме двух круговых полостей. Таллин АН ЭССР, 1971.

44. Подземные гидротехнические сооружения. Под ред. Мосткова В.М. М.: Высш. шк., 1986.464 с. 126

45. Рашидов Т. Динамическая теория сейсмостойкости сложных систем подземных сооружений. Ташкент, изд-во «Фан», 1973.

46. Рашидов Т. Р., Дорман И.Я. и другие. Сейсмостойкость то1П1ельных конструкций метрополитенов. Москва. Транспорт, 1975.

47. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977.132 с.

48. Савин Г.Н. Концентрация напряжений около отверстий. М.: Гостехтеориздат, 1951.

49. Сахаров А.С., Кислоокий В.Н., и др. Метод конечных элементов в механике твердых тел. Киев; Высш. шк., 1982. 479 с.

50. Свитин В.В. Сейсмостойкость круговых обделок транспортных тоннелей в несвязных грунтах. СПб. ЛИИЖТ. 1987.

52. Смирнов В.И. и др. Охрана окружающей среды при проектировании городов. Л., Стройиздат, 1981. 55. СНиП II-7-

53. Строительство перевозочного в сейсмических процесса и районах. Нормы средств проектирования. М.: Стройиздат, 1978. 20с.

54. Совершенствование 1983.

55. Ставничий Ю.А., Транспортные системы городов., Москва. Стройиздат, 1990.

56. Стрельчук Н.А., Славин O.K., Шапошников В.Н. Исследование динамически напряженного состояния тоннельных обделок при воздействии взрывных волн. Строительство и архитектура 9, 1971. 59. То1шели железнодорожные и автодорожные. Нормы проектирования. СНиП П-44-78. М.: Стройиздат, 1978, 20 с.

57. Ухов СБ. Расчет сооружений и оснований методом конечных элементов. М.: МИСИ, 1973.118 с.

58. Филин А.П. Современные проблемы использования ЭВМ в механике твердого тела. Л.: Сройиздат, 1975. 340 с. 127 технических метрополитенов СССР. Под ред. А.Н. Глонти. Сб. Научи, тр., М., Транспорт, инженерно-геологические условия сооружения подземного комплекса гидроузла Гуавио. Пер. с англ. Tunnels Tunnelling, 1986, 10, с.

59. Фотиева Н.Н. Расчет обделок подземных сооружений некругового поперечного сечения. М.: Стройиздат, 1974.

60. Фотиева Н.Н., Дорман И.Я. Определение напряженного состояния тоннеля кругового очертания от сейсмических воздействий. Сб. Науч. Тр. ВНИИ трап СП. стр-ва, 1975, 6.

61. Фролов Ю.С, Голицынский Д.М., Ледяев A.M. Метрополитены, М., 2001.

62. Фролов Ю.С, Крук Ю.Е. Метрополитены на линиях мелкого заложения, Москва 1994.

63. Хесин Г.Л., Костин И.Х., Затеев В.Г. Исследование концентрации напряжений около отверстий в тонких пластинках при воздействии волны давления., М.: Энергия, 1970.

64. Хомерики Г.В. Методика расчета обделок тоннелей кругового очертания на сейсмическое воздействие. Сейсмостойкое строительство. М.: ВНИИИС, 8,1975.

65. Хомерики Г.В. Обоснование новой методики и таблицы для расчета на сейсмостойкость бетонных и железобетонных тоннелей кругового очертания. Сейсмостойкость транспортных, гидромеморативных и других инженерных сооружений. Тбилиси, Мецниереба, 1976.

66. Храпов В.Г., Демешко Е.А. и другие. Тоннели и метрополитены. Транспорт, 1989.

67. Численное моделирование взаимодействия волн с выработками подземных сооружений в трехмерной постановке. Жиленков А.Г. Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 6, 2001.

68. Яковлев Н.А. и др. Воздействие сейсмических волн на крепь подземного сооружения в условиях разрущения околовыработочного массива. Строительство и архитектура. Сер. 16. М., 1985.РОТ- Plan de ordenamiento territorial, Bogota, 2000.

69. Acuerdo 4 de 1979 del consejo Distrital de Bogota. 1979.

70. Barton N., Effects of rock mass deformation on tunel performance in seismic regions. "Tunnel Technol. Subsurf. Use". Vol. 4, 3, 1984.

71. Bathe K.J., Wilson E.L., Numerical Methods in finite element analysis. 1976. 128

72. Brown E.T., Hudson J.A., Fatigue failure characteristics of some models of jointed rock. "Earthquake engineering and structural dinamics", vol. 2,1984.

73. Conpes, Departamento Nacional de Planeacion, Sistema de servicio publico urbano de transporte masivo de pasajeros de Bogota, Colombia, 2000.

74. Dolcini G., Marconi M. Los Rosales Tunnel. Water supply revamp for Bogota, Tunnels Tunnelling, 9, 1990.

75. Dolcini G., Marconi M. Water supply revamp for Bogota. Tunnels Tunnelling, 1990, 9 pp. 33-38.

76. Dowding C.H., Estimating earthquake damage from explotion testing of full-scale tunnels. "Tunnel. Technol. subserf. Use.", vol. 4, 3,1984.

77. Duddeck H., Erdmann J., Structural desing models for tunnels. "Tunnelling 82", The institution of mining and metallurgy, London, 1982.

78. Duffaut P., Marin G. Underground space in the XXI s. Tunnelling and underground space technology. 1986, 1.

79. Espinosa A. "Sismicidad historica, Proyecto para la mitigacion del riesgo sismico de Pereira, Dos Quebradas у Santa Rosa de Cabal", Universidad del Quindio. 1996.

80. Goodman R.E., St John СМ., Finite element analisis for discontinuous rocks. "Numerical methods in geotech. Eng.", New York, McGrawn-Hill, 1977.

81. Hanamura T. Japans new frontier strategy: Underground space development. Tunnellung and underground space technology. 1/2,1990.

82. Hendron A.J., Fernandez G., Dynamic and statin desing consideration for underground chambers. "Seismic design of embankments and caverns". New York, ASCE, 1983.

83. Hoek E., Brown E.T. Excavaciones subterraneas en roca. Trad. Del ingles. Underground excavations in rock. Mexico, 1985.

84. Ikeda K. Classification of rock conditions for tunneling. Proc. 1st Int. symp. Of geology engineering. Paris. 1970.

85. Japan shows its underground face. Tuimels Tunnelling, 6, 1990. 91. jornadas geotecnicas IV. Obras subterraneas en Colombia, memorias. Bogota, 1986. 92. jornadas geotecnicas VI. Normalizacion e investigacion en geotecnia. Bogota, 1990. 129

86. Kramer, S.L., Geotechnical earthquake engineering. Prentice Hall, New Jersey, 1996.

87. Kuesel, T.R. Principles of tunnel lining design. Tunnelling technology, 53, USA, 1986.

88. Lomnitz C, Rosenblurth E., Seismic risk and engineering decisions. Instituto de geofisica de la Universidad nacional autonoma de Mexico, Elsevier scientific publishing company. New York 1976.

89. Lysmer J., Udaka Т., Tsai C.F., Seed H.B., "FLUSH A computer program for approximate 3-D analysis of soil-structure interaccion problems", rep. EERC 7530, Earthquake engineering research centre. University of California, Berkeley, 1975.

90. Marulanda A., Ospina С Colombian experience with NAMT. Concept, 4, 1984.

91. Microzonificacion sismica de Bogota. Ingeominas, UPES, Direccion Nacional para la Prevencion у Atencion de Desastres, Universidad de los Andes (1997).

92. Molinero, A., Sanchez I., Transporte Publico planeacion, diseiio, operacion у administracion. Fundacion 1С A. Mexico, 2001. 101. Mow C.C, McCabe W.L. Dynamic stress in an elastic cylinder. J. Eng. Mech. Div.ASCE.№ 3,1963. 102. NSR-98, Normas colombianas de diseno у construcciones sismoresitentes, Asociacion colombiana de ingenieria sismica, Bogota, 1998.

93. Okamoto S., Introduction to earthquake engineering. University of Tokyo Press, Tokyo, 1973. 104. POT- Plan de ordenamiento territorial, Bogota, 2000.

94. Ququing Gao, The destructive effect of earthquake on surface and underground constructions.. Adv. Tunnel technol. subsurf. Use. Vol 4, 4, 1984.

95. Sarria, A. Ingenieria sismica. Ediciones Unidas. Bogota, 1995. 107. St John СМ., Zahrah T.F., Aseismic design of underground structures. "Tunnelling and underground space technology", vol. 2, 2, 1987. 108. St John СМ., Zahrah T.F., Seismic design considerations for underground structures. Adv. Tunnel technol. subsurf. Use. Vol 4, J2 3, 1984.

96. Terzaghi K. Rock defects and loads on tunnel support. Rock tunneling with steel supports, 1946. 130

98. Institution of mining and metallurgy. London, 1991.

99. Tunnels et microtunnels en terrain meuble. Actes du colloque organise a Paris du 7 au 10 fevrier 1989.

100. Tunnels et ouvrages souterrains", Association francaise des travaux en souterrain. №147,1996.

101. Wilson E.L., Habibullah A., "SAP Structural analysis Programs", Computers Structures Inc., Berkeley, California, 1984.

102. Winqvist Т., Mellgren K.E. Going underground. Royal Swedish academy of engineering sciences. Stockholm, 1988.

103. Wong K.C., Datta S.K., Oleary P.M. Dynamic amplification of displacements and stresses around buried pipelines and tunnels. Earthquake source modeling, ground motion and structural response. ASME, USA, 1984. 131