2015-10-22
1301
Методические указания по отдельным видам занятий»
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ
СООБЩЕНИЯ
ТОННЕЛИ, СООРУЖАЕМЫЕ ГОРНЫМ СПОСОБОМ
Методические указания для курсового и дипломного проектирования.
Фролов Ю.С., Иванес Т.В.
Санкт-Петербург
Г.
Изучение дисциплины «Тоннели», как и любой другой специальной дисциплины, предполагает не только накопление определенной суммы знаний, но и освоение методики их применения. В этом смысле работа над курсовым проектом является одним из важнейших этапов освоения учебной программы.
Самостоятельная работа студента, включающая поиск материалов, знакомство с многообразием источников информации, личный контакт с преподавателем на консультации, дает возможность глубже разобраться в основных вопросах теоретического курса, научиться технически грамотно аргументировать, находить наиболее доходчивые и убедительные формы изложения.
Многообразие природных геологических условий, в которых сооружаются тоннели, исключает стандартный подход к выбору типов конструкций обделок и методов производства работ. В каждом конкретном случае возможны различные проектные решения и от студента требуется умение правильно сопоставлять и анализировать различные, порой противоречивые факты, уметь увидеть в изучаемом вопросе главное, отвечающее основному направлению нашей технической политики в области тоннелестроения.
Проект должен выполняться в соответствии с требованиями СНиП 32‑04‑97 и СНиП 3.01.01‑85, c учетом основных положений Правил безопасности при строительстве подземных сооружений (ПБ 03‑428‑02).
При работе с литературой рекомендуется ориентироваться по следующему плану:
используя учебники и конспекты лекций, наметить принципиальные решения разделов проекта; используя материалы учебных пособий, специальной технической литературы, нормативной и инструктивной документации, решить узловые вопросы и проработать отдельные элементы проекта.
Задание на проектирование
Задание на проектирование выдается на бланке (см. приложение 1).
В задании указаны:
исходные данные - назначение тоннеля (железнодорожный однопутный или двухпутный, автодорожный (с указанием габарита),
геологический разрез по трассе тоннеля (может прилагаться к заданию).
ПРИМЕР
55км
f=0,5 f=4 f=8 В
180.0 А
Масштабы: вертикальный 1:1500, горизонтальный 1: 20000.
Радиус кривой R= 1100м, imax = 12%o.
f=0,5 – песок естественной влажности с примесью гальки;
f=4 - известняк мергелистый трещиноватый;
f=8 - известняк мергелистый слаботрещиноватый.
Дополнительные условия ( для ж.д. тоннелей указывается вид тяги /тепловоз, электровоз/; для автодорожных – интенсивность движения автомобилей либо плотность движения автомобилей на 1км. тоннеля, в том числе доля грузовых (%). В первом случае в качестве расчетной принимается наибольшая часовая интенсивность движения в обоих направлениях для дорог I категории –1200 - 1600, для II категории от 800 до 1200 авт./ ч., во втором случае – соответственно 200 - 250 и 120 – 200 автомобилей на 1 км тоннеля.
Состав и содержание проекта
В соответствии с программой студентами специализации «Городские подземные сооружения» проект выполняется в седьмом семестре и содержит два раздела:
1 - элементы тоннеля, сооружаемого горным способом;
2 - производство работ по сооружению тоннеля.
В первом разделе заданием предусматривается проектирование профиля трассы тоннельного пересечения высотного препятствия при заданных отметках на подходах к тоннелю и разработка конструкций обделок на участках с различными физико-механическими характеристиками грунтов (с технико-экономической оценкой принятых решений и расчетным обоснованием несущей способности одного из типов обделки). В этом же разделе проекта следует привести конструктивную схему одного из порталов и отразить наличие дополнительных обустройств в тоннеле, обеспечивающих безопасную эксплуатацию сооружения.
Во втором разделе составляется проект производства работ по сооружению тоннеля, определяются сроки и стоимость строительства по укрупненным расценкам.
Проектные материалы представляются студентами к защите в следующем объеме: чертежи формата А-1 по каждому из разделов и пояснительная записка – 20 – 25 страниц.
На первом листе вычерчиваются:
– продольный разрез (профиль) горного массива с указанием черных и красных отметок, уклонов и плана тоннеля, пикетажа, геологических условий, типов обделок тоннеля, мест расположения ниш и камер;
– конструкции обделок тоннеля в масштабе 1:100–1:50 с вентиляционными и водоотводными устройствами, соответствующие заданным инженерно геологическим условиям (типы обделок);
– конструкция одного из порталов;
– таблица объемов и стоимости основных работ на 1 м длины каждого типа обделки.
На втором листе вычерчивается технологическая карта организации работ на участке тоннеля, согласованном с руководителем курсового проектирования после выполнения первого раздела проекта. В состав технологической карты входит:
– продольный разрез выработки с принятыми средствами механизации тоннельных работ (от передового забоя до бетонирования обделки) с указанием расстояний между отдельными рабочими местами (машины и установки вычерчиваются без излишней детализации, но в масштабе с необходимыми габаритными размерами, характерные поперечные сечения выработки (3–4 сечения), отражающие этапность работ, с размещением основного оборудования и указанием основных размеров сечения выработки и ее элементов;
– паспорт буровзрывных работ;
– паспорт временной крепи;
– циклограмма на проходку передового забоя и график производства работ по сооружению тоннеля;
– таблица основного оборудования и механизмов.
Пояснительная записка должна составляться в следующем порядке:
1. Исходные данные к проекту (материалы, приведенные в задании, краткое описание инженерно-геологических условий с указанием основных физико-механических характеристик грунтов на отдельных участках трассы в соответствии с прил. 1).
2. Трасса тоннеля.
2.1 Продольный профиль и план тоннеля.
2.2 Определение длины тоннеля.
3. Вентиляция тоннеля.
3.1 Определение объема воздуха для проветривания.
3.2 Выбор системы вентиляции.
4. Проектирование тоннельных конструкций.
4.1 Выбор и обоснование конструктивных решений обделок (внутреннее очертание, форма, размеры сечений, материал тоннельных обделок, подсчет объемов основных работ по сооружению обделок на 1 м тоннеля, технико-экономическое обоснование предполагаемых решений).
4.2 Конструкция порталов.
4.3 Дополнительные обустройства в тоннеле (ниши, камеры, вентиляционные каналы, дренажные и водоотводные устройства).
5. Определение несущей способности обделки на участке от пикета до пикета (по указанию руководителя проектирования).
5.1 Определение нормативных и расчетных нагрузок
5.2 Выбор и обоснование расчетной схемы. Методика расчета.
5.3 Статический расчет обделки (определение усилий).
5.4 Проверка прочности обделки.
6. Производство работ по сооружению тоннеля.
6.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы сооружения тоннеля и способов работ на участках.
6.2 Организация работ на участке от пикета…до пикета… (по указанию руководителя проектирования).
6.2.1 Обоснование способов проходки и технологическая схема организации работ.
6.2.2 Определение параметров буровзрывных работ.
6.2.3 Временное крепление выработки (конструкция, технология возведения).
6.2.4 Расчет параметров проходческого цикла (циклограмма).
6.2.5 Возведение тоннельной обделки.
7. Сроки и стоимость строительства тоннеля.
2.Продольный профиль и план тоннелей
Работу над проектом рекомендуется начинать с вычерчивания на миллиметровке в масштабе 2:1 профиля горного массива, прилагаемого к заданию, с указанием отметок уровня головки рельса или проезжей части начальных точек А и В (рис. 2.1). Затем в соответствии с горизонтальным масштабом следует обозначить пикетаж, приняв за начало отсчета указанный на профиле километр. На следующем этапе вычертить продольный профиль трассы таким образом, чтобы обеспечить минимальную длину тоннеля. Для этого от заданных отметок начальных точек трассы целесообразно подняться наибольшим допустимым уклоном it, чтобы уменьшить длину тоннеля, сократив расстояние между порталами, и, варьируя возможно меньшими уклонами в тоннеле, обеспечить кратчайшую связь порталов. При этом следует руководствоваться рекомендациями и нормами, приведенными в [1, c. 13-15], [3, c.579-581], [8, пункт 4.7- 4.10], а также изложенными ниже положениями.
Железнодорожные горные тоннели в профиле проектируются односкатными при длине до 400 м. и одно- или двускатными с подъемом к середине тоннеля при большей его длине. По условиям водоотвода продольный уклон пути в тоннеле принимается не менее 3 о/оо. Наибольшая величина максимального уклона на линиях I и II категории не должна превышать 15 о/оо В тоннеле длиной более 300 м и на подходах к нему производится смягчение максимального уклона линии. Коэффициент смягчения зависит от длины тоннеля и составляет при длине тоннеля от 0,3 до 1 км – 0.9; от 1 до 3 км –0,85; более 3 км – 0.85…0,75. Алгебраическая разность смежных уклонов на железнодорожных линиях I и II категории не должна превышать 6…10 о/оо. Автодорожные тоннели длиной более 300 м проектируются одно- или двускатными, а длиной до 300 м – односкатными. Продольный уклон в тоннеле должен быть не менее 3 о/оо. Смягчение уклона в тоннеле не производится, однако наибольший уклон автодороги в тоннеле не должен превышать 40 о/оо по условиям оптимальных режимов вентиляции автодорожных тоннелей.
План тоннелей проектируется по нормам, установленным для открытых участков линии, с учетом особенностей, связанных с расположением трассы в подземных выработках.
Одной из ответственных частей тоннельного пересечения является предпортальная выемка, поскольку ее глубина определяет место расположения порталов, а следовательно, и длину тоннеля.
При определении рациональной глубины предпортальной выемки во внимание принимаются как экономические показатели (равенство стоимости разработки 1 м выемки и сооружения 1 м тоннеля), так и инженерно-геологические и гидрогеологические условия. При курсовом проектировании глубина предпортальной выемки может быть назначена по данным строительной практики равной 10–15 м в грунтах с коэффициентом крепости 0,5–3 и 15–25 м в более прочных скальных грунтах.
Продольный разрез по оси тоннеля оформляется в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.1. При этом необходимо обратить внимание на следующее:
– черные отметки указываются на пикетах порталов и в местах характерных изменений в очертании горного массива;
– красные отметки указываются на начальных точках трассы и вычисляются на пикетах порталов, под указанными черными отметками и в местах перелома профиля;
– разность черных и красных отметок в местах расположения порталов должна соответствовать величинам, определяющим рациональную глубину предпортальных выемок в заданных инженерно-геологических условиях;
– расстояния по пикетажу указываются в местах расположения порталов, перелома профиля и изменения типа обделки;
– расположение камер указывается по установленной схеме в соответствии с принятым горизонтальным масштабом.
Вентиляция тоннелей.
При проектировании автодорожного тоннеля, вопрос о вентиляции решается до проектирования тоннельных конструкций, поскольку выбор системы вентиляции в тоннелях длиной более 300м в большинстве случаев определяет размеры их поперечного сечения.
Вентиляцию транспортных тоннелей следует предусматривать естественной или с механическим побуждением в зависимости от длины тоннеля и в соответствии с указаниям, приведенным в [1, с.52], [8, пункт 7.26-7.34].
Вентиляция должна обеспечивать эксплуатацию железнодорожного или автодорожного тоннеля в следующих режимах:
А – нормальный – осуществляется безостановочное движение транспорта с максимальной разрешенной скоростью при интенсивности, соответствующей часу «пик»;
Б – замедленный – осуществляется безостановочное движение транспорта со скоростью менее 20 км/час.;
В – транспортная пробка – имеет место остановка транспорта с работающими двигателями длительностью до 15 мин.
В курсовом проекте расчет вентиляции производится для нормального режима эксплуатации (режим А).
Целью проектирования вентиляции тоннелей является разработка мероприятий, обеспечивающих подачу в тоннель чистого воздуха в таком количестве, при котором вредные газовые примеси (интегральный показатель – окись углерода) разбавляются до безопасных предельно допустимых концентраций (ПДК).
Таблица 3.1.
ПДК окиси углерода в воздухе транспортной зоны тоннеля, мг/куб.м.:
| Время нахождения транспортных средств в тоннеле t, мин | Т о н н е л ь | |
| железнодорожный | автодорожный | |
При выборе схем и систем вентиляции следует иметь ввиду, что скорость воздуха в транспортной зоне тоннеля не должна превышать 6 м/с., а в вентиляционных выработках и каналах – 20 м/с.
Железнодорожные тоннели. (Расчет ведется на прохождение составов с тепловозной тягой).
Исходные данные: длина тоннеля L (м), уклоны линии, qco - количество СО, выделенного при сжигании 1кг топлива (зависит от вида топлива, в курсовом проекте можно принять qco @ 0,5), уровень ПДК должен быть восстановлен через 15 минут после выхода локомотива из тоннеля, скорость движения воздуха в транспортной зоне должна быть не выше 6 м/с.
- время нахождения локомотива в тоннеле в секундах с учетом движения на участках с различными уклонами.
Расчетные скорости движения поезда: на подъем с imax = 15%o Vп =20км/ч (5,6 м/с), на площадке и спуске – Vс = 90 км/ч (25м/с). Расчетная скорость при движении поезда на на подъем с уклоном ii может быть определена путем интерполяции из выражения:
.
В зависимости от времени нахождения локомотива в тоннеле определяется ПДК окиси углерода по таблице 3.1.
Расчетом определяется количество воздуха, подаваемого для проветривания.
К моменту выхода локомотива из тоннеля концентрация вредных газов составит: 
, г/м3,
где Ск - предельно допустимая концентрация СО, г/м3;
- количество вредного газа, выделенного в тоннеле, г;
Ki -количество сжигаемого топлива в тоннеле (кг/с), при движении на подъем К = 0,2 кг/с, на спуск - К = 0,01 кг/с;
U= FТ . LТ - объем транспортной зоны тоннеля, м3;
FТ - площадь транспортной зоны тоннеля, м2;
LТ - длина тоннеля, м.
Для того, чтобы к концу расчетного времени проветривания t = 15 мин. (900с.) в тоннеле установилась предельно допустимая концентрация СО, необходимо подать свежий воздух в объеме:
, м3/с.
Количество воздуха, определенное расчетом для проветривания железнодорожных тоннелей, может быть уменьшено на 20 – 30%, так как некоторое количество вредных газов уносится из тоннеля поездом.
Скорость воздуха в тоннеле:
