автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Рациональные конструктивно-технологические параметры тоннельных обделок с наружными ребрами жесткости

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

РГБ од

гт

ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РАЦИОНАЛЬНЫЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК С НАРУЖНЫМИ РЕБРАМИ ЖЕСТКОСТИ

(05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЮРКИН Олег Васильевич

Москва 1999

Работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета)

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор, член-

корреспондент РАЕН Л.В. Маковский

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент академии транспорта РФ Е.А. Демешко - кандидат технических наук, доцент В.Н. Борисов

Ведущая организация - НИЦ-ТМ АО ЦНИИС

ujQmSÏO^S 1999 г. в И*

I

Защита состоится « I? » 1999 г. в часов

на заседании специализированного совета К 053.30.03 ВАК РФ при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу:

125829, ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект д. 64, ауд. 42 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 999 г.

Отзыв просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок 155 - 0328.

Ученый секретарь ^^¿Ç^yÙy/ нд ид ат технических

специализированного совета наук, доцент Е.З. Круглов

-3-

Общая характеристика работы Актуальность темы диссертационной работы определяется увеличением масштабов тоннельного строительства и необходимостью создания нового поколения рациональных и экономичных конструкций тоннельных обделок, соответствующих современным технологиям. К ним, в частности, можно отнести обделки облегченного типа с наружными ребрами жесткости, конструктивные особенности которых обусловливают необходимость рассматривать систему «обделка - окружающий породный массив» в объемной постановке, что до настоящего времени не проводилось.

Цель и задачи диссертации. Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния обделки с наружными ребрами жесткости, определение ее рациональных конструктивных параметров: шага, высоты, толщины эебер, зоны их расположения в зависимости от прочностно-цеформативных свойств окружающего породного массива и технологии строительства.

Исследования, выполненные в рамках настоящей диссертационной работы, направлены на решение следующих основных задач:

1. Разработка математической модели и методики пространственного расчета ребристых обделок с учетом технологии строительства.

2. Определение рациональных параметров ребер жесткости (длины, ширины, шага и зоны их расположения) с учетом деформативных характеристик окружающего массива, материалов обделки и ребер, а также характера статических нагрузок и технологической последовательности производства работ.

3. Определение области рационального использования ребристых обделок.

Г Разработка рекомендаций конструктивно-технологического характера.

5. Разработка инженерной методики расчета.

Методика исследований. Учитывая отсутствие результатов ранее проведенных исследований, для решения поставленных задач был применен комплексный подход, включающий анализ существующих методов расчета на основе строительной механики и механики сплошных сред, выбор наиболее эффективного метода расчета, разработку пространственной конечно-элементной модели, теоретические исследования взаимодействия ребристой обделки с породным массивом, а также оценку влияния конструктивно-технологических параметров обделки на ее напряженно-деформированное состояние в процессе строительства и эксплуатации тоннеля.

Научная новизна работы заключается:

• в исследовании пространственной работы обделки нового типа с наружными ребрами жесткости во взаимодействии с окружающим породным массивом;

• в разработке методики определения рациональных параметров ребер с учетом прочностно-деформативных характеристик породного массива и технологии строительства;

• в проведении многофакторного регрессионного анализа и определении рациональных соотношений между параметрами обделки.

Практическая .ценность работы

заключается в установлении области применения ребристых обделок; в разработке рекомендаций по назначению конструктивных параметров обделок и технологии их возведения, а также в создании методики расчета ребристых конструкций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета по предложенной объемной конечно-элементной модели с результатами

традиционных методов расчета (строительная механика и механика сплошных сред).

Реализация результатов. Результаты работы нашли применение в практике проектирования отдела искусственных сооружений НИИМК, в СП «Гормост» для оценки несущей способности существующих сооружений и в учебном процессе кафедры МиТТ МАДИ (ТУ).

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научно-теоретических конференциях профессорско-преподавательского состава Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета) /1997-1999гг./, а также на научно-техническом совете НИЦ-ТМ АО "ЦНИИС" /1999г./.

Объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, общие выводы, список использованной литературы (104 наименования) и 3 приложения. Общий объем - 179 страниц, 49 рисунков, 7 таблиц, 3 приложения.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации рассматривается современное состояние и перспективы развития конструкций и методов расчета обделок транспортных тоннелей.

В нашей стране вопросы совершенствования конструкций тоннельных обделок нашли отражение в работах Антонова О.Ю., Безродного К.П., Гарбера И .Я., Барского Е.С., Голицынского Д.М., Гринева A.A., Демешко Е.А., Дормана И.Я., Королькова В.Н., Лиманова Ю.А., Меркина В.Е. и др.

В последние годы в мировой практике тоннелестроения наблюдается тенденция замены массивных бетонных и железобетонных конструкций тоннельных обделок более легкими и технологичными, усиленными дополнительными элементами в виде

металлических арок, анкеров различных конструкций, а также ребер жесткости.

Среди облегченных обделок из набрызг-бетона особое место занимают конструкции с усиливающими элементами в виде наружных ребер жесткости, забетонированных в прорезях фунтового массива, прилегающих к контуру выработки. Это решение защищено авторским свидетельством (№1191590 Тоннельная обделка. Л.В. Маковский, Д Р. Асратян, И.В. Маковский, В.Е. Меркин).

Обделка состоит из оболочки из набрызг-бетона и ребер, расположенных с определенным шагом в продольном или поперечном направлении (рис. 1). В случае необходимости оболочка может быть усилена стальной сеткой, а ребра жесткости - арматурными каркасами.

Ребра, возводимые посредством образования в грунтовом массиве прорезей, придают обделке дополнительную прочность и жесткость, а также закрепляют часть фунтового массива, улучшая совместную работу бинарной системы «обделка-порода». Для устройства щелей в фунтовом массиве может быть использовано щеленарезное оборудование аналогичное применяемому при возведении опережающей бетонной крепи (ОБК).

Рис. 1. Конструкция облегченной оОделки с наружными поперечными* реОрами жесткости

Такие обделки целесообразно применять при строительстве тоннелей сводчатого очертания горным способом в породах средней крепости и устойчивости.

Важным достоинством ребристой обделки является ее высокая адаптивность к изменяющимся горно-геологическим условиям за счет изменения параметров ребер: шага, высоты, толщины и места их расположения. Так, ребра могут размещаться по своду и стенам выработки или только в сводовой части.

Расположение ребер внутри породного массива позволяет сократить размеры поперечного сечения выработки и оставить их без изменения на всей длине тоннеля, что существенно сокращает объем разрабатываемого фунта, а также уменьшает трудоемкость и материалоемкость возведения такого типа обделки и соответственно ее стоимость.

Приближенный расчет экономической эффективности применения таких обделок показал, что стоимость одного метра двухпутного автодорожного тоннеля с применением ребристой обделки по сравнению с «гладкой» снижается на 20...25%, а по сравнению с обделкой с анкерами - примерно на 3...5%,

Развитие методов расчета тоннельных обделок тесно связано с изменением их конструктивных решений, а также с достижениями в области строительной механики, геомеханики и программного обеспечения.

Рассматривая развитие теории расчета тоннельных конструкций в деформированных средах, можно условно выделить три основных направления:

• инженерные методы расчета на основе строительной механики и механики фунтов;

• аналитические методы расчета на основе механики сплошных сред;

■ численные методы расчета на основе математического моделирования.

Большой вклад в развитие инженерных методов расчета тоннельных обделок внесли Бодров Б.П., Булычев O.E., Гарбер ВА, Давыдов С.С., Друкер М., Зурабов Г.Г., Клейн Г.К., Коммерель О., Матери Б.Ф., Розанов С.Н., Синельников В.В., Шапошников H.H., Шлэнглер М. и др. В проектной практике наибольшее распространение получил универсальный метод Метропроёкта, позволяющий с достаточной степенью точности рассчитывать как монолитные, так и сборные обделки практически любого очертания постоянной и переменной жесткости. Этот метод отличается наглядностью, четкостью расчетной схемы.

Особым направлением строительной механики для исследования работы тоннельных обделок является теория тонких оболочек.

При этом обделка рассматривается как оболочка, которая перераспределяет нагрузки на окружающий массив, а не работает подобно арке, несущей нагрузки, передаваемые на нее грунтом. Таким образом, можно производить пространственный расчет обделки на основании зависимостей общей моментной теории упругих тонких оболочек. Общая моментная теория оболочек получила значительное развитие в работах И.Я. Амиро, И.В. Андрианова, В.З. Власова, А.Л. Гольденвейзера, С.Н. Кана, И.Е. Милейковского, В.В. Новожилова, О.Д. Ониашвали, D.Rudiger и J.Urban, R.Rabish и др.

Решением задачи расчета цилиндрических оболочек, подкрепленных ребрами жесткости, занимались Н.П. Абовский, Д.В.. Вайнберг, В.З. Власов, С.Н. Кан, И.Е. Милейковский, В.В. Новожилов.

Расчетные методики механики сплошных сред основываются на решениях теории упругости, пластичности и ползучести для полупространства или полуплоскости с отверстием кругового или более сложного очертания 'со свободным контуром или подкрепленным кольцами постоянной толщины. Значительная часть работ в этом направлении основана на трудах Ю.Н. Айвазова, И.В. Баклашова, В.Н. Борисова, Н.С. Булычева, Б.Г. Галеркина, А.Н.

Динникэ, Б.А. Картозия, Г.В. Колосова, Ю.М. Либермана, С.Г. Ляхпицкого, Н.И. Мусхелишвили, С.А. Орлова, А.Ф. Ревуженко, И.В. Родина, К.В. Руппенейта, Г.Н. Савина, Л.Л. Старчевской, H.H. Фотиевой и др., которые привели к формированию нового научного направления - механики подземных сооружений.

Основной расчетной схемой конструкций подземных сооружений, которая исследуется механикой подземных сооружений, является схема контактного взаимодействия обделки с деформируемым массивом пород.

Следует отметить, что применение традиционных аналитических методов на основе теории оболочек и сплошной деформируемой среды для расчета ребристых тоннельных обделок во взаимодействии с породным массивом сопряжено со значительными сложностями математического характера и в большинстве случаев оказывается трудноосуществимым. В связи с этим в последние годы для решения геомеханических задач широко используют численные методы: конечных элементов (МКЭ), граничных элементов (МГЭ) и дискретных элементов (МДЭ).

За последние 30 лет благодаря работам A.B. Александрова, A.C. Городецкого, Ж.С. Ержанова, В.Г. Корнеева, Б.Я. Лащеникова, В.А. Постнова, А.Р. Ржаницина, Л.А. Розина, A.C. Сахарова, С.Б. Ухова, А.П. Филина и ряда других авторов МКЭ получил четкое математическое обоснование и распространение в практических расчетах.

Большой вклад в развитие этого метода применительно к задачам геомеханики внесли Б.З. Амусин, В.Н. Барбакадзе, P.A. Резников, А.Б. Фадеев, В.В. Чеботаев, H.H. Шапошников, С.А. Юфин и ДР-

В иностранной литературе встречается большое количество работ, посвященных использованию метода конечных элементов в решении геомеханических задач. Из них следует выделить работы

J.M. Duncan, O.e. Zienkitwicz, J. H. Prévost, P.M. Byrne, K.J. Bathe, W.D. Finn, M.K. W. Lee, P.P. Martin, W. Wittke и др.

Современные численные методы расчета дают широкие возможности расчета сложных конструкций, какими являются тоннельные сооружения в целом и ребристые обделки в частности. Исследования ребристых обделок целесообразно производить МКЭ, так как при этом возможно моделировать работу ребер совместно с обделкой, варьировать различные факторы, влияющие на их совместную работу (длина, ширина, шаг ребер и др.), а также технологию производства работ.

Вторая глава посвящена разработке пространственной конечно-элементной модели бинарной системы «ребристая обделка -породный массив». Набрызг-бетонная обделка, а также внешние ребра жесткости моделируются плоскими конечными элементами оболочечного типа. Породный массив генерируется сеткой объемных восьмиугольных конечных элементов с соответствующими механическими характеристиками (Е- модуль упругости (модуль деформации), ц- коэффициент Пуассона).

При создании расчетной модели учитывалась последовательность производства работ по разработке породы и' возведению обделки (рис. 2).

При решении геомеханической задачи такого типа необходимо учитывать изменение упругих свойств грунтового массива, однако на сегодняшний день не существует единой теории его поведения в связи с нелинейностью и необратимостью деформаций. Таким образом задача может быть решена итерационным методом, причем механические свойства грунтовых элементов должны подчиняться диаграмме Прандтля.

Для исследования обделок ç поперечными наружными ребрами было решено ограничиться решением упругой геометрически нелинейной задачи с учетом технологической последовательности строительства.

Определение первоначального пола напряжений

Определение напряжений в сводовой части

Определение напряжений в обделхе

Снимаемые нопояхения П

Рис. 2. Этапы расчета ребристой обдели (а) и фрагмент мнечно-злементной модели (б)

На первом этапе необходимо было определить естественное поле напряжений в ненарушенном породном массиве. Сетка конечных элементов представлена только породными элементами, конечные элементы обделки имеют нулевые характеристики.

На втором этапе расчета имитируется разработка верхней части выработки с возведением обделки. Выработка моделируется фунтовыми конечными элементами при Е=0, с Приложением фиктивной нафузки- («снимаемых» напряжений) на внутренней поверхности обнаженной, выработки и установки верхней части обделки.

В результате второго этапа расчета определяется поле напряжений в нарушенном породном массиве от фиктивной нагрузки и усилия в верхней части обделки.

На третьем этапе расчета имитируется разработка нижней части выработки. Моделирование разработки грунта и замыкание обделки осуществляются так же, как на предыдущем этапе. При этом происходит наследование напряжений и перемещений узлов предыдущего этапа.

Моделирование обделки и окружающего породного массива осуществлялось с использованием программного комплекса «ВАБУБ», реализующего метод конечных элементов, разработанного на кафедре строительной механики ГЛАДИ (ТУ). С целью определения целесообразности и эффективности использования этого программного комплекса для расчета ребристых обделок в упругой среде, а также для проверки вышеизложенных принципов моделирования геомеханических задач МКЭ были проведены три вида тестовых расчетов, которые показали, что объемная конечно-элементная модель, в которой обделка моделируется плоскими конечными элементами оболочечного типа, дает наилучшую сходимость результатов с результатами теоретических методов расчета и позволяет учитывать изменения параметров ребер.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований статической' работы ребристой обделки на стадиях

эксплуатации и строительства с применением программного комплекса «ВАвУв», адаптированного для решения геомеханических задач.

Исследование работы ребристой обделки на стадии эксплуатации осуществлялось по двум направлениям:

определение рациональных параметров ребристой обделки при неизменных физико-механических характеристиках породного массива;

учет влияния характеристик окружающих пород на напряженно-деформированное состояние ребристой обделки при варьировании параметров ребер.

Для определения рациональных параметров ребристой обделки на первой стадии исследований использован метод пофакторного анализа, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов.

При этом определена область рациональных соотношений геометрических параметров ребер при определенных (фиксированных) физико-механических характеристиках окружающего породного массива.

Для определения рациональных параметров ребристой обделки (толщины оболочки, шага и высоты ребер) была составлена трехмерная матрица исходных данных. В таблице приведены границы варьирования параметров ребристой обделки. Оценка влияния ребер производилась по расчетным напряжениям в замковом и радиальном сечении с параллельным определением приведенного объема используемого материала на возведение одного метра обделки.

Для каждого из входных факторов было заранее определено число уровней в интервале варьирования Ки.

Физико-механические характеристики породного массива для удобства и более четкого представления о влиянии ребер жесткости на первой стадии исследования приняты едиными и соответствующими породам средней крепости Ки=1.

-14_Таблица

Параметр Границы варьирования Обоснование

Толщина оболочки, м 0.25-0.5 Толщина оболочки должна назначаться из условия ее прочности

Шаг ребер, м 1.5-3.0 Принято по аналогии с внутренними ребрами жесткости

Высота ребер, м 0.25-1.0 Высота ребра должна быть минимальной

Толщина ребра, м 0.2 Определяется возможностями щеленарезного оборудования

Расчет ребристой обделки в первой серии исследований произведен в сорока восьми вариантах. Для каждого расчета получены значения нормальных напряжений по внутренней фибре замкового и радиального сечений между ребрами и абсолютных деформаций, а также значения приведенного объема материала на один погонный метр тоннеля как критерия рациональности использования ребристой обделки. Результаты проведенных расчетов дают возможность оценить напряженно-деформированное состояние ребристой обделки.

Пофакторный анализ результатов исследований показал, что при высоте ребра 0.25 м значения сжимающих напряжений увеличиваются по сравнению с их значениями в «гладкой» обделке в замковом сечении не менее чем на 40% в зависимости от толщины оболочки и в радиальном сечении на 5%. При этом значения деформаций уменьшаются в среднем на 7-10% (рис. 3), что связано с увеличением контакгных зон между породным массивом и конструкцией обделки. Устройство поперечных ребер жесткости приводит к увеличению приведенного объема материала в среднем на 8%. Увеличение шага ребер в два раза приводит к увеличению напряжений в замковом сечении на 31%.

2 2

зГ

х

и

га

г

о. о

■е-

4)

-5,00 -5,20 -5,40 -5,60 -5,80 --6,00 --6,20 -6,40 --6,60 -6,80

0 25

0.5

0.75 Ю

высота ребра, м

- Толщина оболочки 0,5 м -Толщина оболочки 0,375 м •Толщина оболочки 0,25 м

Рис. 3 Зависимость деформаций замкового сечения от высоты ребра при шаге 1.5 м

Анализируя все полученные значения напряжений и деформаций как в замковом, так и в радиальном сечениях, можно констатировать, что исследуемый фактор - толщина оболочки - в наибольшей степени влияет на напряженное состояние ребристой эбделки. При использовании ребристой конструкции тоннельной эбделки можно уменьшить толщину оболочки по сравнению с кгладкой» не более чем на 25-30%, причем значения деформаций изменяют свое значение на 5%.

Влияние наружных ребер жесткости на работу обделки юзрастает по мере уменьшения физико-механических сарактеристиках породы.

Проведена серия расчетов, в которых были рассмотрены три юзможных варианта внешнего очертания ребер жесткости. При этом

ребра устанавливались в сводовой части, в сводовой и стеновой областях с изменяющейся высотой ребра, в сводовой и стеновой областях с постоянной высотой ребра.

Было установлено, что выбор очертания внешнего ребра жесткости полностью зависит от прочностных характеристик породы; наибольшее влияние очертания ребер жесткости на напряженно-деформированное состояние прослеживается в породах, где Е1=8*102 Мпа. При увеличении значения Е ребра могут располагаться только в сводовой части обделки.

В работе были проведены также исследования по определению влияния забоя тоннельной выработки на работу обделки.

Исследования проводились в две стадии и включали в себя:

оценку характера работы «гладкой» обделки при изменении расстояния от лба забоя до обделки от 0.166В до 0.33В, где В -пролет выработки. При этом варьировались не только расстояние до забоя, но и характеристики окружающего породного массива;

сопоставление результатов расчета «гладкой» обделки и обделки с внешними ребрами жесткости с предполагаемыми рациональными параметрами. Было рассмотрено два случая расположения ребра жесткости: вблизи забоя и с отставанием от края обделки на расстояние 1.5 м.

При проведении исследования по определению влияния забоя на напряженно-деформированное состояние обделки расчетная модель претерпела изменения: была описана область ненарушенного породного массива за пределами лба забоя. Границы этой области долкны быть не менее 3-4 пролетов выработки.

В результате исследований было выявлено, что характер распределения напряжений и деформаций в продольном направлении имеет волнообразный характер, причем параметры волн зависят от гибкости тоннельной обделки, характеристик окружающего породного массива и расстояния до лба забоя.

Анализ деформаций обделки на призабойном участке показал 'величение измеренных перемещений, величина которых >пределяется физико-механическими характеристиками породного лассива и расстоянием тоннельной обделки от лба забоя. Так, для рунтов с Е равным 8*102 МПа изменение деформаций обделки на 1ризабойном участке составляет 10-15% по отношению к полученным ¡начениям на стадии эксплуатации. С увеличением значения модуля 'пругости породного массива в десять раз деформации обделки 'меньшаются на 5%.

Результаты расчета показали, что при наличии ребра по краю >бделки напряжения в радиальном сечении и прилегающих к нему «чениях уменьшаются на 10-20%, а также исключается концентрация шпряжений в зоне сопряжения первого ребра и оболочки обделки. В о же время оболочка за ребром жесткости находится в более 1ыгодном положении, поскольку происходит уменьшение амплитуды юлны и разница значений составляет не более 5%.

В связи с тем, что параметры ребер при неизменной толщине >болочки по-разному влияют на работу обделки, необходимо >ассматривать исследуемые факторы совместно, используя латематический аппарат.

В четвертой главе приведены результаты многофакторного )нализа работы ребристой обделки. С целью формализации юлученных в результате исследований данных применен метод лногопараметрического регрессионного анализа, позволяющий 1ыразить зависимую переменную в виде некоторой математической функции от независимых параметров. Данный метод является 1араметрическим, то есть основан на предположении о нормальном »аспределении ошибок вычислений.

Для определения коэффициентов уравнения зависимости функции отклика от варьируемых факторов на первом этапе при юизменных деформативных характеристиках окружающего породного лассива использован метод наименьших квадратов, в соответствии с

которым наиболее вероятными значениями параметров будут такие, при которых сумма квадратов отклонений будет наименьшей:

2

3 4 4

= гпш

(1)

1X1 ¡=1 ¡ = 1к = И

где А - значения многочлена второй степени после подстановки в него значений X,, У,, Д;

М - исследуемая физическая модель, реализованная МКЭ;

X, У], - параметры ребристой обделки:

X = боб - толщина оболочки;

У, = ар - шаг ребра;

Д = Ьр - высота ребра.

Дифференцируя сумму квадратов отклонений по ао, а,.......ат

(где а0, 01......,ат - заранее неизвестные, но постоянные

коэффициенты полинома при переменных X, V,. Д), приравняем производные к нулю, перенося постоянные части вправо, и получим систему линейных уравнений вида

3 4 4/ Л ЗА

III Мх у I

к=1 V 1 -I к)дат

3 4 4 ( \ лд

= Е I X М Х-.У.Д. Ьг^"

ГП

1 У к

= 1,2,...,10

(2;

Левые части, т.е. левые квадратные матрицы, систем линейных уравнений одинаковы, так как они зависят от самой «решетки», правые столбцы разные и определяются значениями в узлах решетки при соответствующих параметрах ребер.

Решая системы линейных уравнений получим три искомых аппроксимирующих многочлена второго порядка. Два полинома

эписывают изменения напряжений в замковом и радиальном течениях, а третий - изменение приведенного объема материала о 1ависимости от параметров ребер:

AV(X,Y,Z)=0,584X2 + 0,165248Y2 + 0,109696Z2+ + 0,0004XY + 0.0008XZ - 0,6017856YZ + 26.8576Х -

- 0,7311664Y + 2.516964Z + 0,822218; AS(X,Y,Z)= - 5621,8Х2 + 10.108336Y2 + 14.500032Z2 +

+ 126,1XY - 103.56XZ - 14.344YZ + 5291.3749Х - (3 - 119,17167Y + 92.667292Z - 2822,7886;

AT(X,Y,Z)= - 1882.2595Х2 + 6.318784Y2 - 64.16576Z2 +

+ 317.89459XY-623,60519XZ- 127.&4649YZ + 2796.7572Х-

- 130.76313Y + 783,23491 Y Z - 946,4.

С учетом физико-механических характеристик породного «ассива выражение приобретает следующий вид.

AV(X,Y,Z,Q)=6.02*10"6Q + 23.27Х - 0.1721 Y + 11.49Z - 5.721Х2 + +0.0921 Y2 - 0.0836Z2 - 1.41*10 5QX - 1.06*10'7QY - 8.65*1 O^QZ + 2.93*10 2XY- 16 69XZ- 3 76YZ- 9.461

, (4)

AS(X,Y,Z,Q)= 1.2*10 JQ + 30.5X-0.31Y + 4.685Z - 22.2X2 + +0.1065Y2 - 0.521Z2 - 7.97*10"6QX - 1.92*10'7QY - 3.1*10"6QX -0.3732XY - 8.945XZ - 2.312YZ - 24.63,

где Q„ - физико-механические характеристики породного 1ассива;

AV, AS, AT - значения многочленов второй степени после одстановки в них значений X, Y,. Z*.

Выполнено исследование новой задачи, в которой функционал ациональности AV(X,Y,Z) и левая часть ограничения AS(X,Y,Z) ринимают конкретную форму многочленов второго порядка.

Используя метод градиентного спуска по функционалу ,V(X,Y,Z) при соблюдении ограничений.задачи, легко убедиться, что шнимум AV лежит на пересечении плоскостей Y=Y* и Z=Z*.

Таким образом, исходные ограничения после проведенных обоснованных упрощений превращаются в 3 уравнения (два простейших линейных и одно второй степени от трех переменных):

У=У*;

(5)

АУ(Х, У, 7.) = МБ*.

Решением этой системы уравнений получим:

У=У*;

X - 126.1У ' -103.5вг * -5291.3749- УР . (6)

2 »5621.8

гдеР = 243209.38У*2 +336789,78г*2 -348674.22У* I * -

- 1345352.4У* +987878.4г* -22487.2МЗ* -35477963;

Второй корень квадратного уравнения должен быть отброшен, так как он приводит к большому значению оптимизационного функционала изменения приведенного объема.

Это решение и является искомым аналитическим решением аплроксимационной задачи, т.е. функции АР(У*,2*, МБ*, М'Р), и приблизительным решением исходной задачи.

Таким образом, для определения рациональной толщины оболочки ребристой обделки необходимо задаться технологическими ограничениями, а именно: размерами заходки, предполагаемой высотой ребра, прочностными характеристиками материала обделки. Подставляя эти значения в выражение (6), получим искомую величину.

' Разница полученных значений напряжений и приведенного объема по физической модели и по вышеприведенным выражениям не превышает 3%.

Таким образом, при назначении параметров ребер жесткости (шаг и высота) необходимо исходить из минимальных технологических и конструктивных ограничений, а толщину оболочки подсчитывать по

вышеупомянутой формуле. Так, рациональное отношение толщины оболочки к шагу и высоте ребра составляет

50:ар:Мр =1:0.25:1.6. (7)

При этом соотношении достигается минимум используемого материала.

Использование в проектной практике сложных математических моделей и программных комплексов для расчета ребристых обделок сопряжено со значительными трудностями и не всегда опраедано. Так, на стадии вариантного проектирования достаточно оценить в первом приближении характер распределения усилий в обделке и назначить ее конструктивные параметры, применяя ускоренные приближенные методы расчета.

С этой целью в диссертационной работе на основе теоретических исследований разработана упрощенная методика расчета обделок • с наружными ребрами жесткости, предусматривающая определение изгибающих моментов и нормальных сил в семи сечениях конструкции для трех типов пород, характеризующихся коэффициентами крепости по М.М. Протодьяконову ( от 1 до 4 и соответствующим Е - 8 102*МПа, 8*103 МПа и 1.5*10" МПа.

Усилия в ребристой обделке определяются через усилия в соответствующей «гладкой» обделке путем умножения их на поправочные коэффициенты для изгибающих моментов Км и норамльных сил НГм в сечениях ребристых обделок с разным соотношением шага и высоты ребер (1:10; 1:6 и 1:4.3), полученные в результате статистической обработки данных пространственных расчетов.

Таким образом, методика ускоренного расчета ребристых обделок предусматривает поэтапное определение моментов и нормальных сил.

Используя один из широко применяемых в проектной практике методов расчета обделки на основе строительной механики (метод

Метропректа, Зурабова Г.Г. и Бугаевой O.E. и др.), производят расчет на заданные нагрузки по плоской схеме «гладкой» обделки, толщины которой и прочностные характеристики материала назначают по аналогии с типовыми конструкциями для данного типа пород, а затем уточняют прочностными расчетами.

Назначают конструктивные параметры «эквивалентной» ребристой обделки, принимая толщины оболочки 60-80% от толщины гладкой обделки, а геометрические характеристики ребер по соотношению hp: б : ар = 1 : 0.25 : 1.6.

Определяют значения моментов и нормальных сил в тавровом сечении с использованием поправочных коэффициентов:

' Мро = Км *Мго:

Npo=<4o.

где Мр0 и М'го - изгибающие моменты вi-мсечении соответственн ребристой и гладкой обделки;

^ро и ^го - нормальные силы в i - м сечении соответственно ребристой и гладкой обделки.

Предлагаемый метод может быть использован также для предварительных расчетов ребристых обделок по трассе тоннеля с учетом изменяющихся инженерно-геологических условий, когда требуемое увеличение или уменьшение несущей способности и жесткости обделки достигается за счет изменения параметров ребер при неизменной толщине оболочки.

Это позволяет обеспечить постоянную конфигурацию и размеры тоннельной выработки на всем протяжении тоннеля, сохранив неизменной технологию горно-проходческих работ и бетоноукладочных операций.

Общие выводы

В диссертационной работе дано решение задачи по установлению закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния тоннельных обделок с наружными ребрами жесткости во взаимодействии с окружающим породным массивом с учетом влияния геометрических характеристик конструкции, прочностно-деформативных свойств пород и технологической последовательности сооружения тоннеля.

Результаты исследований явились основанием для практических рекомендаций конструктивно-технологического и расчетного характера, направленных на проектирование рациональной и экономичной конструкции тоннельной обделки.

Наиболее важные научные и практические результаты диссертации сводятся к следующему.

1. Выявлена эффективность облегченных обделок из набрызг-бетона с поперечными наружными ребрами жесткости, забетонированными в прорезях породного массива, и установлена целесообразная область их применения: в породах средней крепости и устойчивости. К основным преимуществам ребристой обделки относятся высокая адаптивность к изменяющимся горногеологическим условиям, высокая несущая способность и жесткость. Применение таких обделок взамен массивных позволяет сократить площадь поперечного сечения тоннеля на 8-10%, расход монолитного бетона на 20-25%, что приводит к сокращению общей стоимости сооружения одного погонного метра тоннеля на 10-15%.

2. При исследовании ребристых обделок в диссертационной работе был использован программный комплекс «ВАЗУЭ», реализующий метод конечных элементов и адаптированный для решения геомеханических задач. Разработана объемная конечно-элементная модель, в которой обделка имитируется плоскими конечными элементами оболочечного типа, а породный массив -линейно-деформируемой средой.

Эффективность и целесообразность использования данного программного комплекса и правильность выбора расчетной модели подтверждены проведением серии тестовых расчетов.

3. Расчетно-теоретические исследования работы ребристых обделок во взаимодействии с окружающим породным массивом на статические воздействия методом математического моделирования позволили установить общие закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкции на стадиях эксплуатации и строительства.

На основе проведенного пофакторного анализа полученных результатов установлено, что наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние ребристой обделки на стадии эксплуатации оказывают толщина оболочки, высота и шаг ребер жесткости, а также прочностно-деформативные свойства породы. Изменение таких параметров, как толщина ребер и их конфигурация на статическую работу обделки влияет несущественно.

При использовании ребристой конструкции тоннельной обделки вместо эквивалентной «гладкой» можно уменьшить толщину оболочки на 25...30%.

В процессе строительства расстояние от края возводимой обделки до лба забоя должно быть минимальным. При этом, в случае наличия ребра по краю обделки напряжения в замковом и прилегающих нему сечениях уменьшаются на 10-20%, а также исключается концентрация напряжений в зоне сопряжения первого ребра и оболочки обделки.

4. Поскольку основные параметры ребер жесткости при неизменной толщине оболочки по-разному влияют на работу обделки, исследуемые факторы были рассмотрены совместно с использованием регрессионного анализа и методов математической статистики. Это позволило установить рациональные параметры ребристых обделок при их работе во взаимодействии с окружающим породным массивом и разработать методику их расчета на

статические нагрузки.

При назначении шага и высоты ребер жесткости необходимо исходить из минимальных технологических и конструктивных ограничений, а толщину оболочки подсчитывать по формуле

126.1 h „ -103.56а -5291.3749 -VD

5 =-Р--Р--

о 11243,6

Установлено, что рациональное отношение толщины оболочки к шагу и высоте рэбра составляет 6Q :ар :hp =1:0.25:1.6; при этом

соотношении достигается минимум используемого материала.

5. По результатам теоретических исследований разработаны рекомендации конструктивно-технологического характера, направленные на повышение эффективности технологии возведения ребристых обделок. Предложена технологическая схема сооружения тоннелей, предусматривающая определенную последовательность раскрытия выработки и возведения обделки с опережающим бетонированием ребер жесткости.

6. Разработана методика ускоренного расчета ребристых обделок на статические воздействия на стадиях строительства и эксплуатации, которая предусматривает: расчет гладкой обделки МКЭ или другими более простыми инженерными методами, определение усилий и напряжений в обделке; назначение предполагаемых характеристик ребер в соответствии с п. 4; определение усилий в сечениях ребристой обделки с учетом поправочных коэффициентов.

В результате проведенных исследований научно обоснована целесообразность и эффективность применения обделок с наружными ребрами жесткости, установлена область применения и рациональные конструктивно-технологические параметры. Таким образом, созданы предпосылки для их внедрения в практику отечественного тоннелестроения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Юркин О.В. К расчету тоннельных обделок с наружными ребрами жесткости // Научно-технический альманах «Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций». -1998. -№3. -С.18-21.

2. Юркин О.В. Рациональная конструкция облегченных обделок с наружными ребрами жесткости // Транспорт. Наука, техника, управление. -1999. -№4. -С.43-45.

3. Юркин О.В. Расчет конструктивных параметров обделок с наружными ребрами жесткости // Научно-технический альманах «Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций». -1999. -№2. -С.30-32.

иЛЛ: О.от.. Т. ¡.Л,

.Л / п / " /

^ / Л, _ ^

Московский Государственный Автомобильно-дорожный институт _(Технический университет)

На правах рукописи

Юркин Олег Васильевич

Рациональные конструктивно-технологические параметры тоннельных обделок с наружными ребрами жесткости

(05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАЕН, профессор Л.В. Маковский

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК СВОДЧАТОГО ОЧЕРТАНИЯ...................................................9

1.1. Современное состояние и перспективы развития конструкций

ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК....................................................................................9

1.1.1. Общие сведения.........................................................................9

1.1.2. Конструкции массивных обделок............................................10

1.1.3. Конструкции облегченных тоннельных обделок из набрызг-бетона..................................................................................................14

1.1.4. Конструкции облегченных об^^щк.: с наружными ребрами жесткости, область их применения.*^.............................20

1.1.5. Особенности технологии возведения ребристых обделок..23

1.2. Развитие методов расчета тоннельных обделок..........................27

1.2.1. Общие сведения.......................................................................27

1.2.2. Методы расчета на основе строительной механики и механики грунтов................................................................................29

1.2.3. Расчет обделок методом механики сплошной среды..........37

1.2.4. Численные методы расчета обделок.....................................42

1.3. Выводы. Задачи и методы исследования.....................................46

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОНЕЧНО-

ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ..........................................................................49

2.1. Математические модели породного массива в задачах механики подземных сооружений.............................................................................49

2.1.1. Определение области моделируемых пород........................49

2.1.2. Моделирование свойств пород...............................................52

2.1.3. Моделирование породного массива......................................54

2.2. Разработка конечно-элементной модели для расчета ребристых обделок.......................................................................................................58

2.2.1. Выбор расчетной модели........................................................58

2.2.2. Описание программного комплекса "ВАЗУЗ"........................63

2.2.3. Целесообразность и эффективность использования ПК

«Вавув» для расчета тоннельных обделок......................................70

2.2.4. Выводы......................................................................................80

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ РЕБРИСТЫХ ОБДЕЛОК...........................................................82

3.1. Анализ существующих методов исследований............................82

3.1.1. Общие положения....................................................................82

3.1.2. Исследование с применением МКЭ......................................84

3.2. Методика математического моделирования................................87

3.2.1. Планирование численного эксперимента..............................87

3.2.2. Пофакторный анализ полученных результатов....................90

3.2.3. Влияние тоннельного забоя на работу ребристой обделки в

процессе строительства.................................................................120

3.3. Выводы...........................................................................................132

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕБРИСТЫХ ОБДЕЛОК. МЕТОДИКА РАСЧЕТА..................................132

4.1. Математическая обработка результатов исследований...........132

4.1.1. Общие положен ия..................................................................132

4.1.2. Рациональные соотношения параметров ребристой

обделки..............................................................................................135

4.1. Рекомендации по практическому расчету ребристой обделки .147

4.1.1. Основные предпосылки.........................................................147

4.1.2. Методика ускоренного расчета............................................148

Общие выводы..........................................................................................155

Литература................................................................................................159

Приложения..............................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Рост сети автомобильных и железных дорог, а также увеличение объемов строительства тоннелей и метрополитенов в условиях урбанизации и роста крупных городов требуют наращивания научно-технического потенциала в области подземного строительства, как наиболее перспективного направления решения транспортной проблемы.

За последние двадцать лет на территории бывшего СССР были построены Рокский (3.6 км), Рикотский (1.76 км), Гагринский (1.25 и 0.84 км) и др. автодорожные тоннели, а также Лысогорский (Зкм), Ид-жеванский (2.95 км), Байкальский (6.7 км), Кодарский (2км) железнодорожные тоннели.

В настоящее время строятся и эксплуатируются метрополитены в одиннадцати городах России (Москва, С Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Уфа, Новосибирск, Самара, Нижний Новгород, Красноярск, Омск) и в восьми городах СНГ (Киев, Харьков, Днепропетровск, Минск, Тбилиси, Баку, Ереван, Ташкент) /20/. Во многих крупных городах построены и строятся автотранспортные, пешеходные и коллекторные тоннели, подземные автостоянки и гаражи.

В связи с увеличением объемов тоннельного строительства необходимо дальнейшее развитие и совершенствование конструкций тоннельных обделок, методов их расчета и технологии возведения.

К одному из прогрессивных направлений в области совершенствования обделок транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом, следует отнести применение облегченных тонкостенных конструкций из набрызг-бетона.

Практика отечественного и зарубежного строительства показывает целесообразность применения таких обделок, усиленных в случае необходимости дополнительными элементами в виде стальных арок, анкеров, ребер жесткости и т.д. Дальнейшее применение облегченных обделок во многом связано с расширением масштабов ис-

пользования концепции нового австрийского тоннельного метода (НАТМ) /21/

Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия системы «конструкция - породный массив», где в качестве конструкции рассматриваются облегченные обделки из набрызг-бетона с усиливающими элементами в виде наружных ребер жесткости, бетонируемых в прорезях грунтового массива /81/. Конструкция такой обделки защищена авторским свидетельством №1191590 «Тоннельная обделка», опубликованным 15 ноября 1985г.

Ребра призваны придать обделке дополнительную несущую способность и жесткость, закрепляя часть грунтового массива и улучшая совместную работу породы с обделкой.

Важным достоинством такой обделки является ее высокая адаптивность к изменяющимся горно-геологическим условиям за счет изменения параметров ребер: шага, высоты, толщины и места их расположения. Так, поперечные ребра могут размещаться по своду и стенам выработки или только в сводовой части с шагом, кратным величине заходки для лучшей увязки операций горнопроходческого цикла при поперечных ребрах.

Применение обделок с наружными ребрами жесткости позволяет сократить размеры поперечного сечения выработки и уменьшить толщину оболочки, несущая способность которой зависит от геометрических параметров ребер. При этом снижается материалоемкость конструкции и трудоемкость ее возведения, что приводит к повышению темпов и снижению стоимости строительства.

Актуальность темы диссертационной работы определяется увеличением масштабов тоннельного строительства и необходимостью создания нового поколения рациональных и экономичных конструкций тоннельных обделок соответствующих современным технологиям. К ним, в частности, можно отнести обделки облегченного типа с наружными ребрами жесткости, конструктивные особенности которых обуславливают необходимость рассматривать систему «об-

делка - окружающий грунтовый массив» в объемной постановке, что до настоящего времени не проводилось.

Цель и задачи диссертации. Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния обделки с наружными ребрами жесткости, определение ее рациональных конструктивных параметров шага, высоты, толщины ребер, зоны расположения, прочностно-деформативных свойств окружающего породного массива и технология их возведения.

Исследования, выполненные в рамках настоящей диссертационной работы, направлены на решение следующих основных задач:

1. Разработка математической модели и методики пространственного расчета ребристых обделок с учетом этапов строительства.

2. Определение рациональных параметров ребер жесткости (длины, ширины, шага и зоны их расположения) с учетом деформационных характеристик окружающего массива, материалов обделки и ребер, а также характера статических нагрузок и технологической последовательности производства работ.

3. Определение области рационального использования ребристых обделок.

4. Разработка рекомендаций конструктивно-технологического характера.

5. Разработка инженерной методики расчета.

Методика исследований. Учитывая сложность и

отсутствие результатов ранее проведенных исследований, для решения поставленных задач был применен комплексный подход, включающий проведение: анализа существующих методов расчета на основе строительной механики и механики сплошных сред; сопоставление результатов расчета по МКЭ с традиционными методами; разработку пространственной конечно-элементной модели; численные исследования взаимодействия обделки с различными параметрами ре-

бер и их математическую обработку, а также оценку влияния прочно-стно-деформативных характеристик окружающего породного массива на напряженно-деформированное состояние обделки на стадии строительства и эксплуатации.

Научная новизна работы заключается:

• в исследовании пространственной работы обделки нового типа с наружными ребрами жесткости во взаимодействии с окружающим породным массивом;

• в разработке методики определения рациональных параметров ребер с учетом прочностно-деформативных характеристик породного массива и технологии строительства;

• в проведении многофакторного регрессионного анализа и определении рациональных соотношений между параметрами обделки.

Практическая ценность работы заключается в установлении области применения ребристых обделок; в разработке рекомендаций по назначению конструктивных параметров обделок и технологии их возведения, а также в создании методики расчета ребристых конструкций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета по предложенной объемной конечно-элементной модели с результатами традицыонных методов расчета (строительная механика и механика сплошных сред).

Реализация результатов. Результаты работы нашли применение в практике проектирования отдела искусственных сооружений НИИМК, в СП «Гормост» для оценки несущей способности существующих сооружений и в учебном процессе кафедры МиТТ МАДИ (ТУ)

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского

состава Московского автомобильно-дорожного института (Технического университета) /1997-1998 г./, а также на научно-техническом совете НИЦ-ТМ АСГЦНИИС" /1999 г./.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех научных статьях.

Диссертация включает Введение, 4 главы, основные результаты и выводы, список использованной литературы (104 наименования).

Диссертационная работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского Государственного автомобильно-дорожного института (Технического университета) под руководством члена-корреспондента РАЕН, профессора Л.В. Маковского.

ГЛАВА I АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА МОНОЛИТНЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК СВОДЧАТОГО ОЧЕРТАНИЯ

1.1 Современное состояние и перспективы развития конструкций тоннельных обделок

1.1.1 Общие сведения

Перспективы строительства транспортных тоннелей требует внедрения усовершенствованных конструкций тоннельных обделок и технологий строительства, при снижении материалоемкости и трудозатрат с одновременным повышением темпов ведения работ и увеличением надежности сооружений.

Разнообразные природные и инженерно-геологические условия (крепость и трещиноватость пород, тектонические разломы, сейсмическая активность) встречающиеся при строительстве тоннелей, обусловливают поиск новых более эффективных решений при проектировании конструкций обделок и технологии строительства.

В последние годы в мировой практике тоннелестроения наблюдается тенденция замены массивных бетонных и железобетонных конструкций тоннельных обделок более легкими и технологичными набрызг-бетонными, усиленными дополнительными элементами в виде металлических арок, анкеров различных конструкций, а также ребер жесткости. Это приводит к созданию более гибкой конструкции обделки, отвечающей конкретным инженерно-геологическим условиям. Облегченные конструкции тоннельных обделок из набрызг-бетона имеют ряд преимуществ по сравнению с массивными, а именно более эффективное взаимодействие с окружающим грунтовым массивом; обладают возможностью легко приспосабливаться к условиям проходки при изменении инжннерно-геологических условий и размеров выработки; обеспечивает долговечность и надежность крепления выработки в течение всего срока службы с проведением ремонтных работ и усилением конструкций /21/.

Вопросы совершенствования конструкций тоннельных обделок нашли отражение в работах Лиманова Ю.А., Голицинского Д.М., Де-мешко Е.А., Меркина В.Е., Гарбера И.Я., Антонова О.Ю., Барского Е.С., Безродного К.П., Гринева A.A., Королькова В.Н. и др /20, 21, 50, 49/.

1.1.2 Конструкции массивных обделок

Конструктивные решения массивных обделок транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом, определяются многочисленными факторами (прочность пород, характер и степень их трещинова-тости, условия залегания, обводненность, тектонические условия и др.), различные комбинации которых требуют индивидуального подхода к выбору того или иного типа обделки. При определении целесообразной области применения как массивных, так и облегченных обделок сводчатого очертания в первом приближении можно пользоваться классификацией пород профессора М.М. Протодьяконова, в основу которой положен коэффициент крепости f/51/.

Ниже рассматриваются некоторые конструктивные решения массивных тоннельных обделок в порядке усложнения горногеологических условий (уменьшение коэффициента крепости f) и соответственно увеличения нагрузки со стороны массива горных пород.

В достаточно крепких (f > 8-10), но трещиноватых породах, когда вертикальное давление незначительно, обделку тоннеля выполняют в виде пологого свода, опирающегося на породу (рис. 1.1 а). Стенки выработки делают вертикальными или с небольшим наклоном к вертикали и не закрепляют несущей конструкцией, а покрывают облицовочным слоем торкрета или набрызг-бетона толщиной 3-5 см. Очертание свода принимается круговым, параболическим или коробовым и может быть постоянной или переменной жесткости из обычного монолитного бетона или набрызг-бетона, а также из набрызг-бетона в сочетании с анкерами /48/.

В менее крепких (f > 4-8) и более трещиноватых породах устраивают обделку, состоящую из подъемистого свода переменной толщи-

ны кругового или трехцентрового коробового очертания и стен (рис. 1.1, б). При этом свод рассчитывают на восприятие преобладающего горного давления. Стены же устраивают вертикальными и прямолинейными толщиной, равной толщине пяты свода с утолщением к низу. Между стенами бетонируют лоток, служащий своеобразной распоркой.

В грунтах с коэффициентом крепости 2-4 при раскрытии выработки по частям в местах сопряжения свода со стенами возникает излом по оси обделки, что приводит к концентрации напряжений. Обычно толщину свода и стены в месте их сопряжения делают одинаковыми. Внутреннее очертание стен в более слабых породах ¡<2 преимущественно криволинейное. Обычно в местах сопряжения свода и стен сечение обделки делают одинаковым, однако при сооружении тоннелей способом опертого свода последний может иметь уширенную пяту и опираться частично на бетонные стены, а частично на грунт (рис. 1.1 в). Грибовидную форму обделок следует применять при наличии в нижней части достаточно прочных и устойчивых пород, способных воспринять давление со свода.

Для вышеупомянутых пород с коэффициентом крепости Ленметрогипротранс разработал типовые конструкции обделок в виде подъемистого свода из монолитного железобетона, рекомендуемые к применению на прямых участках автомобильных дорог I категории (рис. 1.1, г)/85/.

При наличии значительного горизонтального горного давления и наг