2. Туннели, расположенные в мягком грунте, могут испытывать значительные осадки из-за снижения прочности и бокового движения грунта при сейсмических или других повторяющихся нагрузках, известные как «сейсмическая просадка», которые должны быть специально проанализированы с учетом конкретных условий участка.

3. Когда изменяются условия основания, такие как вид грунта, толщина покровного слоя, глубина залегания коренных пород: деформация продольного основания туннеля различна, и напряжение поперечного сечения возникает в продольном направлении туннеля.

4. Криволинейный участок с резкими поворотами: напряжение участка возникает в осевом направлении из-за резкого изменения направления между направлением падающей сейсмической волны и осевым направлением туннеля.

5. В рыхлых, насыщенных песком основаниях, где существует вероятность разжижения: разжижение может вызвать подъем туннеля и нельзя игнорировать последствия землетрясений.

В частности, во время землетрясений относительно большие напряжения в сечении неизбежно возникают в той части туннеля, где конструкция туннеля соединена с конструкцией шахты, которая полностью отличается от остальной части туннеля, поэтому для уменьшения продольной жесткости этой части туннеля целесообразно предусмотреть гибкие тюбинги или использовать резиновые прокладки или эластичные прокладки между кольцами тюбинга для придания им гибких соединений.

4.1.4. Методика обоснования сейсмопрочности тюбинга

(1) Обоснование устойчивости туннеля и строительного участка

Если туннель находится на участке, где существует риск разжижения грунта из-за давления поровой воды, превышающий статичное, то формируется область подземной циркуляции с потоком, направленным вверх, и он теряет прочность. Что может привести к снижению нагрузки грунта в верхней точке туннеля, к потере его сопротивляемости силе выталкивания, вследствие чего может возникнуть вероятность поднятия туннеля.

(2) Механическое обоснование поперечного направления сечения туннеля

В настоящее время в КНР анализ сейсмостойкости поперечных сечений подземных туннелей по большей части проводится согласно принципу сейсмического коэффициента. Основная исходная точка данного метода – воздействие землетрясений на подземную структуру, по большей части состоящая из двух частей. Первая – вес структуры и перекрывающего слоя породы создают инерционную силу пропорциональную сейсмическому ускорению поверхности, вторая – самопроизвольное увеличение бокового давления, вызываемое землетрясением.

Если весовая плотность туннеля (вес одного погонного метра туннеля/площадь поперечного сечения туннеля) легче или практически тождественна с весовой плотностью вмещающей породы, то обычно это является следствием землетрясения, сопутствующие толчки вызывают серьезные видоизменения, сдвиги вокруг строительного участка, при этом, инерционная сила не принимается в расчет. Аналитический метод сейсмостойкости, основанный на данной концепции, получил название «метод спектров реакции», или «теория коэффициента динамичности». Особенностью теории является принятие во внимание смещений пластов, расположенных в подземных структурах, которые становятся входом землетрясения в структуру. Метод спектров реакции проводит расчеты для смещений расположения участков туннеля. Метод учитывает все смещения или смещенные участки, действующие на туннель, и производит расчеты давления на сечение туннеля и стрелы деформации.

(3) Механическое обоснование продольного направления сечения туннеля

Расчеты сейсмоустойчивости продольного направления сечения туннеля чаще всего основаны на методе спектров реакции. При проведении расчетов, исходя из состояния всех участков туннеля, устанавливается необходимая длина волны. Предполагается, что смещение участков, полученное методом реактивного смещения, является синусоидальной волной, которая действует на туннель и оказывает давление на верх продольного сечения и объем его изменений. Данный метод является часто применяемым методом расчетов.

Что касается жесткости туннеля, необходимо принять во внимание то, что первичное соединение обделки снижает жесткость. Следует учитывать влияние вторичной и последующих обделок. Решение стоит принимать после тщательного планирования структуры туннеля. Необходима проверка проекта на напряжение сечения и стрелы деформации частей первичного и вторичного соединения обделки, напряжение и величину смещения мест соединений вертикальной шахты сечения.

(4) Метод динамического анализа

Для метода спектров реакции и метода сейсмического коэффициента применяют изменяющиеся со временем сейсмическое действие взамен статической нагрузки или замены статического перемещения, затем используют модель статистического расчета для нахождения отклика структуры. Постепенно примеров проведения динамических расчетов с использованием вычислительной модели совместного влияния сооружения и участка становится больше. Если точно определить материал конструкции и нелинейные параметры элементов конструкции, можно применить динамический расчет, чтобы обнаружить динамику каждой части сооружения во время землетрясения. Вследствие нерациональности входасейсмической волны и сложности интерпретации результатов расчетов, а также отсутствия определения окончательного способа расчетов к настоящему времени, метод не достиг уровня полного принятия.

4.1.5. Анализ распределения арматуры тюбинга

1) Насыщенность арматурой бетона для тюбинга в метро (КНР)

За последние 20 лет при использовании проходческих щитов в Китае было построено большое количество веток метро, структурное укрепление которых является характерным, что по большей части отражает достигнутый в КНР уровень проектирования. Для определения насыщенности арматурой тюбингов метро, возводимых с помощью проходческих щитов, изучили различные регионы, качество почвы и возможные диаметры туннелей, проведя исследование содержания арматуры 38 веток метро в 21 городе КНР. По большей части содержание составило 140~210 кг/м3. Самое низкое содержание арматуры наблюдалось в Чунцине, где туннели прорываются в средневыветренных песчаных аргиллитах, и составляло 120 кг/м3. Самое высокое содержание арматуры наблюдалось в Ханчжоу, где алевритовая почва, много отложений глины. В такой мягкой почве сооружение туннелей требует повышенного содержания арматуры, достигающего 253 кг/м3. Данные факты отражены в таблице 4-6.

Таблица 4-6. Исследование содержания арматуры в метро КНР

2) Сравнение различий армирования элементов строительства проходческих пространств метро в КНР и других странах

КНР не часто принимает участие в разработке проектов метро и других строительных объектов за рубежом, поэтому сложно получить большое количество относительно достоверных зарубежных расчетных параметров. Китайская корпорация железнодорожных туннелей получила проект строительства западного сектора красной ветки метро в городе Тель-Авив (Израиль), а также на нее была возложена миссия выполнения генерального подряда работ на данном объекте. Строительство объекта осуществлялось по европейским стандартам, диаметр щитового туннеля составил 7.2 м, толщина тюбинга 0.35 м, основной почвой проходки был мелкий песок, сильно выветренный Kurkar (сходный с песчаником), ГГВ в верхней точке туннеля по проекту – 1 – 8 м, содержание арматуры приблизительно 120 кг/м3. Ниже проведем анализ со сходным проектом в КНР:

(1) Внешний диаметр тюбинга у данного туннеля сравнительно большой, достигает 7.2 м, в КНР за обычный диаметр считается 6 м, 6.2 м, самый большой – 6.7 м.

(2) Толщина тюбинга – 0.35 м, приблизительно такая же, как и в КНР.