Таблица 4-5. Коэффициент бокового давления грунта (λ), коэффициент сопротивления основания (k)

Расчетные напряжения в сечении тюбинга будут меняться из-за тонкого баланса между вертикальными и горизонтальными нагрузками. Коэффициент бокового давления грунта (λ) и коэффициент сопротивления основания (k) должны определяться тщательно с полным учетом условий заложения основания и назначения туннеля.

(3) Гидравлическое давление

Гидравлическое давление дается при расчете давления грунта, учитывая разделение давления воды и грунта, а разница в вертикальном давлении воды действует как сила плавучести, поэтому подъем необходимо изучать с учетом других нагрузок и состояния фундаментов поверх облицовки.

Гидравлическое давление может быть определено в соответствии с изменениями уровня грунтовых вод на этапе строительства, а также во время длительной эксплуатации, различая всевозможные стратиграфические условия и рассчитывая его как гидростатическое давление или включая воду как часть грунта.

Гидравлическое давление, действующее на обделку туннеля, использует давление поровой воды, но давление поровой воды очень трудно определить, с практической точки зрения и с учетом безопасности, гидравлическое давление обычно определяется гидростатическим давлением.

Как правило, гидравлическое давление в вертикальном направлении рассчитывается в соответствии с равномерной нагрузкой. Давление воды, действующее на верхнюю часть футеровки, равно гидростатическому давлению, действующему на ее вершину, а давление воды, действующее на дно, равно гидростатическому давлению, действующему на нижнюю точку футеровки. Гидравлическое давление в горизонтальном направлении используется в качестве трапециевидной распределенной нагрузки, и его размер совпадает с гидростатическим давлением.

Кроме того, при длительном использовании туннеля из-за влияния природных или техногенных факторов уровень грунтовых вод будет меняться, и также бывает достаточно сложно определить уровень грунтовых вод. При расчетах конструкции кольцевого щитового туннеля использование более высокого уровня грунтовых вод не обязательно означает, что он смещен в сторону безопасной конструкции; напротив, использование более низкого уровня грунтовых вод может быть наиболее неблагоприятным сочетанием условий работы с нагрузкой. Поэтому при определении уровня грунтовых вод он должен быть рассчитан в соответствии с самым высоким уровнем воды и самым низким уровнем воды соответственно.

3) Сопротивление грунтовой массы

Сопротивление грунтовой массы также известно как сопротивление образованию или сопротивление основания. Существует два способа определения сопротивления пласта: один предполагает, что сопротивление пласту не имеет ничего общего с деформацией (смещением) пласта, которая представляет собой силу реакции, уравновешенную действующей нагрузкой; другой предполагает, что сопротивление пласту связано с деформацией (смещением) пласта, которая подчинена смещению основания; под действием нагрузки часть конструкции облицовки будет деформирована в направлении вмещающей породы, поскольку вмещающая порода вокруг туннеля имеет определенную жесткость, она неизбежно создаст силу реакции на конструкцию облицовки (то есть сопротивление пласту), чтобы противостоять его деформации. В настоящее время определено большинство теорий локальной деформации, основанных на гипотезе Винкеля. Сопротивление пласту будет варьироваться в зависимости от используемой расчетной модели и метода расчета, среди которых наиболее часто используемые методы:

(1) Традиционный японский метод расчета

Предполагается, что вертикальное сопротивление основания не зависит от смещения основания, и в качестве сопротивления основания принимается равномерная сила реакции, уравновешенная вертикальной нагрузкой. Учитывая деформацию облицовки в направлении вмещающей породы, определено, что сопротивление основания в горизонтальном направлении действует в диапазоне центрального угла 45° выше и ниже горизонтального диаметра облицовки и предполагается распределенным в треугольнике с горизонтальным диаметром в качестве вершины. Сопротивление основания на горизонтальном диаметре является наибольшим, и его величина может быть рассчитана пропорционально горизонтальной деформации облицовки по отношению к вмещающей породе. Коэффициент сопротивления основания может быть принят в соответствии со стратиграфическими условиями.

(4-5),

где: K – коэффициент реакции основания (коэффициент горизонтального сопротивления грунтовой массы) (кН·м3).

δ – величина горизонтального смещения облицовки (м).

(2) Метод пружинной модели

Предполагая, что сопротивление пласта распределено радиально вдоль кольца облицовки, взаимодействие между облицовкой и пластом эквивалентно пружине, а сопротивление основания рассматривается как сила реакции, возникающая при деформации тюбинга в направлении основания.

В Европе и США используется пружинная модель основания по всему периметру. В Японии в основном используется пружинную модель частичного основания, при этом большинство пружин в тангенциальном направлении не рассматриваются, а в качестве эффективных пружин используются только пружины радиусного направления.

В зависимости от метода строительства целесообразно определить стоит ли учитывать сопротивление основания, возникающее в результате деформации собственного веса тюбинга. Если тампонажный материал за стеной имеет лучшую первоначальную прочность или истинная округлость листа трубы после того, как он выступает из хвостовой части щита, остается лучшей (в конструкции щита используется истинное круглое устройство или лучше управление тягой движительного гидроцилиндра), можно учитывать сопротивление основания, создаваемое деформацией собственного веса листа трубы. Особенно когда наружный диаметр туннеля велик, напряжение в поперечном сечении, вызванное собственным весом, намного больше по сравнению с напряжением в поперечном сечении, создаваемым давлением почвы и воды (при D≥12 м оно составляет от 60% до 80%).

4) Вес тюбингового кольца

Нагрузка собственного веса тюбинга представляет собой вертикальную нагрузку, распределенную вдоль оси футеровки, и обычно рассчитывается по следующей формуле:

(4-6),

где: g – нагрузка собственного веса тюбига (кПа);

W – сила тяжести на единицу длины облицовки (кН·м);

Rc – радиус футеровочного кольца (м).

5)Внутренняя нагрузка

Внутренняя нагрузка включает нагрузку, действующую в процессе строительства, и нагрузку, действующую после завершения строительства туннеля. В качестве внутренней нагрузки, действующей в процессе строительства, используются различные строительные машины и оборудование, такие как задний опорный прицеп и шлаковоз с защитной конструкцией. Когда эти нагрузки действуют на кольцо тюбинга, в котором материал для затирки за стеной еще не затвердел, необходимо проверить устойчивость кольца из тюбинга. Однако после того, как материал для затирки за стеной полностью затвердеет можно считать, что эти нагрузки поддерживаются окружающим основаниемоснованием, поэтому на практике эти внутренние нагрузки не изучаются, но берется метод не размещения этих устройств на кольце тюбинга, где тампонажный материал еще не затвердел за стенкой.

Кроме того, внутренние нагрузки, действующие при завершении строительства туннеля, варьируются в зависимости от цели использования туннеля, например, реакции железнодорожного транспорта, дорожного полотна, подвесных сооружений внутри туннеля и внутреннего давления воды. Из них нагрузки, действующие на дно туннеля, как в случае с железнодорожным транспортом, можно считать непосредственно передающимися на основание вокруг туннеля, как и внутренние нагрузки во время строительства; другие внутренние нагрузки, однако, оказывают влияние на обделку, поэтому нагрузки должны быть установлены и надлежащим образом изучены в соответствии с реальной ситуацией.