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

| и» ^нт:ьаи1 (

На правахрукописи

ТОРРЕС 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».

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ГОЛИЦЫНСКИЙ ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук КУЛАГИН НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

кандидат технических наук, доцент ТИМОФЕЕВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

Ведущее предприятие - ОАО "Метрострой"

Защита состоится «22» октября 2004 г. в#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.

Авторефератразослан«....».....^^ . . 2004 г.

Ученыйсекретарь диссертационного совета Н /1л

доктор техн. наук, профессор О/ЦоС^С^-1 МА.С Л1 ПЛИ КО ВА

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 мет-: рополитена, 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

р0Г„ > -.ЛИОИАЛЬНАЯ

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;

- 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. - Institute de Desarrollo Urbano de Bogota) 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: 71 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, С.Н. Власов, Н.И. Кулагин, В.Н. Александров, Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева, 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 (ПТР), 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/га. 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 нженерно-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

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

метро Боготы.

О § 1 I § ?

9 5 ¡3 С

О о § о г о § о 8

+ + ♦ +

5 в « 5

.--- -УРОВЕНЬ ГРУНТОВ ЦК ВОД

ТРАЗА

- ПОВЕВИОСГЬ

Г ГГГГГГ7П ГРАВИЙ

1 ВИЯ I ПЕСОК

ГРУНТОВ | ГЛИНА

[ щцтая ил

2 ВИЛ ГЛИНА И

ГРУНТОВ СУГЛИНКИ

грунта, а для 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 гидравлическо-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 исполь-

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

способом.

зовать 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 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 статическим и гидродинамическим методами.

Статический метод. В работах Е.Н. Отпущенникова, Н.А. Стрель-чука, 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. Н.Н. Фотиевой.

Расчеты обделок по статическим методам используются в ограниченной области, так как они не учитывают явления интерференции и дифракции сейсмических волн, изменяющих сейсмонапряженное состояние грунтового массива и их применение невозможно вблизи поверхности, при близко расположенных выработках. Кроме того, статические методы разработаны на основе теории упругости, а, как известно, слабые и несвязные породы нельзя считать упругими. В данной работе этим методом произведен расчет обделки тоннеля, расположенного в грунтах центрального участка трассы метрополитена г. Богота на максимальной глубине 40 м, где выполняются все указанные ограничения этого метода.

Напряженное состояние обделки, от действия длинной, произвольно направленной волны сжатия (продольной волны) сеж, 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) б)

-Р

ШИПИ

Напряженное состояние на бесконечности имеет величины

где к^ - коэффициент сейсмичности;

с^ - скорость распространения упругих волн сжатия м/с.

Гд - преобладающий период колебаний частиц грунта, с;

Напряженное состояние обделки, от действия длинной, направленной под горизонтальным углом к вертикальной оси симметрии выработки волны сдвига (поперечной волны) определяют на основании решения квазистатической контактной задачи.

Касательные напряжения ня 5р.гттнр.чнпг™ имр.тот величины

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

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

где

здесь - соответственно нормальные тангенциальные

0(Г») ЙЮТ)

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

Наибольшие сжимающие и растягивающие напряжения в каждом сечении принимаются за расчетные. Усилия М и N 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

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 тангенциальные напряжения на внутреннем контуре достигают -16,9 МПа

при Напряженное состояние, характеризуется максимальными

усилиями Мтах = -124 кН*м, и И= 2583 кН. Между тем, при гидростатическом давлении получаются напряжения а на сейсмику

(Гд= -0,85 МПа при сжатии и Од= 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 учитывая, что этот коэффициент для

обводненного песка при землетрясении варьируется и его значение может достигать единицы.

На рис. 5, показаны зависимости максимальных напряжений на обделке от коэффициента бокового давления X. Откуда следует, что зависимость между этими двумя факторами является обратно-пропорциональной. Видно также, что наиболее неблагоприятное

напряженное состояние происходит при минимальной величине коэффициента X.

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

Эта величина соответствует значению коэффициента X, полученный •

по механике грунтов: Л = /&2(45 - 25/2)= 0.41 (7)

Для такой величины коэффициента можем определить по графику 5. максимальные тангенциальные напряжений от собственного веса пород: ав «нутр = -16,7 МПа в сечении 7 обделки и о® „ару* = -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.

Метод гидродинамики. В работах ЮА 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 Н/Ю<0,10» где к> - толщина сечения обделки; R - 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:

где р = у/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 сейсмического воздействия.

Уравнения движения цилиндрической оболочки

а5е , ь1 12 дЧ.

59 ю. »2 яд4

—+&т +5Т =

\

(1-ц2)-*2

\

12-Я2 [ ее4

/

Е-И

\

/

где - окружное и радиальное смещения оболочки

Е, (1,р- модуль упругости, МПа; коэф. Пуассона; и плотность Л, А - радиус и толщина оболочки, м;

0 - величина давления на конструкцию, кН/м\

где - плотность жидкости,

0..Й,-давления от падающей и отраженной волн, кН/м2; у/ - потенциал скорости отраженной волны, который отыскивается из уравнения

где 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 схем?.

на-рузд 0(7)

1. Тоннель радиуса Я; 2. Фронт падающей волны; 6 - Уголь падения волны; Нв - Уровень подземных вод; Нз - 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 грунта- 0,13 м/сек. Таким образом, число вариантов расчета необходимых для исследования, определяется как NB = 27 И ОСНОВНОЙ (нулевой) уровень исследований принимается для всех вариантов обделки при статических условиях ^ = 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 грунта, 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. Анализ полученных эпюр также показывает, что по мере увеличения периода колебания, его влияние на напряженное состояние обделки существенно увеличивается. Отметим что, при периодом колебания сейсмической волны для региона города Боготы Т=1,2 с, то увеличение напряжения будет в 3 раза больше, чем при статическом состоянии. Анализ полученных графиков 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 радиу-

сом 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 (К) на напряженное состояние конструкции: Для данной серии расчетов было принято 5 значений радиусов обделки R= 1,87; 2,15; 2,32; 2,55 и 3,10м. Для каждого расчета была соответственно изменена и толщина обделки по соотношению ~ К/10., глубина заложения - 20м, период колебания - 1,2 с, уровень подземных вод - 6 м.

Анализ эпюр максимальных напряжений в обделке при воз-

действии сейсмических нагрузок показывает, что увеличение размера обделки дает существенное уменьшение напряжений во всех рассматриваемых сечениях и подтверждает наличие существенной зависимости между размерами конструкции и сейсмическим воздействием. Например, при увеличении радиуса с 1,87 м до 2,55 м уменьшение величины напряжения составляет примерно 48%, а при дальнейшем увеличении радиуса до 3,10 м, напряжения уменьшаются ещё на 22%. Результаты выполненных расчетов показывают, что при воздействии сейсмических нагрузок на круговую обделку, размер обделки играет существенную роль, а оптимальной

конструктивной радиус составляет от 2,15 до 2,55 м, при принятом соотношении толщин - R/10.

Влияние приведенной толщины обделки (Ш) на её напряженное стояние: Для данной серии расчетов моделировалась обделка радиусом 2,55 м, глубиной заложения 20 м, с уровнем подземных вод -6 м и периодом колебания сейсмоволны 1,2 с. Было принято 4 варианта толщины обделки: 15; 20; 25 и 30 см, при соотношении* 5.9%< И/Ю <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 ЯДо=5,9%) до 20 см (что соответствует отношению ЯДо=7,8%), напряжения ав уменьшаются примерно на 22%, а при дальнейшем увеличении толщины до 30 см (что соответствует отношению ЯДо=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 Я=2,55 м, толщиной йэ=0,25 м, глубиной заложения 8 м, с уровнем подземных вод -6 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 ока-

зывает 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. По длине, тоннеля должны имеет температурно-осадочние швы, расстояние между которыми регламентируется нормами не более 40м на железобетонах конструкциях. Однако, для условий Боготы, расстояние между антисейсмическими деформационными швами по оси тоннеля со-ставит-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 рекомендовать антисейсмическое мероприятие в виде сборной железобетонной или монолитной плиты толщиной не менее см, расположенной на поверхности или под поверхностью земли над трассой метрополитена. Как показал анализ, наличие груза значительно снижает усилия в обделке при сейсмических нагрузках.

4. Следует применять оптимальный радиус обделки, полученный в результате анализа и лежащий в пределах м при толщине обделки и по возможности, назначать толщину обделки тоннелей не менее 20 см, так как с увеличением толщины снижаются сейсмические напряжения в конструкции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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 sismico". «AICUN», №3, 2004 г., Bogota - Colombia.

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

Подписано к печати 15.09.04г. Печ.л. - 1,5

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

Тираж 100 экз. Заказ №_

т-

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

Ii 1 692 7