Тоннель железнодорожный двухпутный

1. Исходные данные к проекту

Тоннель железнодорожный двухпутный.

Заданием предусматривается проектирование трассы горного тоннеля в профиле, конструкций обделки, порталов и дополнительных обустройств с технико-экономическим обоснованием принятых решений.

Геологический разрез по трассе тоннеля: Вариант 7..

Характеристики грунтов:

). Песчаные сланцы слабо трещиноватые.

Коэффициент крепости: f = 12.

Объемная масса: 2,8 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: φ = 82,5°.

Коэффициент удельного отпора: k0 = 2000.

). песчаник глинистый,плотный.

Коэффициент крепости: f = 5.

Объемная масса: 2,5 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: φ = 70°.

Коэффициент удельного отпора: k0 = 800.

). Супесь с примесью гравия,гальки.

Коэффициент крепости: f = 0,7.

Объемная масса: 1,6 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: φ = 40°.

Коэффициент удельного отпора: k0 =60..

Руководящий уклон: imax = 11 ‰.

Дополнительные условия:

Тепловозная тяга.

2. Трасса тоннеля

.1.Продольный профиль и план тоннеля

Так как длина тоннеля превышает 300 метров, проектируем тоннель двускатным.

Для уменьшения длины тоннеля, подходы к нему на открытом участке выполняются с руководящим уклоном imax = 14 ‰.

Из-за менее благоприятных условий эксплуатации тоннеля, чем открытых участков, на расстоянии примерно 400 метров до тоннеля производим смягчение руководящего уклона.

где: im - максимальный уклон в тоннеле.

 - руководящий уклон для открытого участка трассы.

iэкв - уклон эквивалентный сопротивлению на кривой. Определяется в зависимости от радиуса кривой. В курсовом проекте принимаем iэкв = 1 ‰.

m - коэффициент смягчения руководящего уклона. Зависит от длины тоннеля.

При длине тоннеля в пределах 1 - 3 км принимаем m = 0,85.

Со стороны северного портала ‰.

Принимаем уклон im = 11 ‰.

Со стороны южного портала.

‰.

Принимаем уклон im = 11 ‰.

Так как отметки порталов находятся примерно на одном уровне, то проектируем тоннель с уклоном минимальной величины im = 3 ‰ (по условиям водоотвода).

Для железнодорожных тоннелей рекомендуется алгебраическая разность смежных уклонов, равная 10 ‰, что выполняется.

В итоге получаем следующий профиль тоннеля (с севера на юг):

) Подъем с отметки 110,7 м. уклоном 11 ‰ на протяжении 550 метров до отметки 117,2 м.

) Подъем с отметки 117,2 м. уклоном 3 ‰ на протяжении 750 метров до отметки 119.6

) Спуск с отметки 119.6 клоном 3 ‰ на протяжении 400 метров до отметки 118.4м

) Спуск с отметки 118.4м . уклоном 11 ‰на протяжении 1050 до отметки 104.2м

Глубина предпортальной выемки назначается по данным строительной практики и составляет 10 - 15 м. в грунтах с коэффициентом крепости 0,5 - 3 и 15 - 25 м. в более прочных грунтах.

Глубина предпортальной выемки со стороны северного портала составляет 13.6 м. (f = 0.7), со стороны южного портала - 20,8 м (f = 2). Для сооружения тоннеля горным способом требуется, чтобы высота грунта над тоннелем у портала была не менее 2 - 3 м. Это условие выполняется.

2.2 Определение длины тоннеля

Тоннель проходит через три вида грунтов с различными характеристиками, на каждом из таких участков проектируется своя обделка. Обделка участка с менее крепким грунтом на несколько метров должна заходить на участок с более крепким грунтом.

Итого получаем 3 участка с длиной:

) От ПК 27+600 до ПК 27+900:                 l1 = 300 м.

) От ПК 27+900 до ПК 28+750:                 l2 = 850 м.

) От ПК 28+750 до ПК 29+50:                  l3 = 300 м.

Таким образом, длина тоннеля:  м.

3. Вентиляция тоннеля

.1 Определение объема воздуха для проветривания

Так как длина тоннеля превышает 300 м. и тяга в тоннеле тепловозная, необходима искусственная вентиляция.

Расчет вентиляции ведем по выделению окиси углерода.

Главная задача проветривания тоннеля состоит в разбавлении окиси углерода СО в транспортной зоне тоннеля до ПДК за определенное время (t = 15 мин. = 900 с.).

Допустимая скорость движения воздуха в тоннеле  м/с.

Время нахождения локомотива в тоннеле:

где: li - длина участков тоннеля, м.

vi - скорость движения на каждом участке, м/с.

vп = 20 км/ч = 5,6 м/с (на подъем).

vс = 90 км/ч = 25 м/с (на спуск).

.

а) При движении с севера на юг:

 км/ч = 10,8 м/с (подъем).

 км/ч = 21,1 м/с (подъем).

v3 = v4 = 25 м/с (спуск).

 с.

б) При движении с юга на север:

 км/ч = 10,8 м/с (подъем).

 км/ч = 21,1 м/с (подъем).

 с.

К моменту выхода локомотива из тоннеля концентрация СО составит:

 г/м3.

ск = ПДК.

При времени нахождения локомотива в тоннеле менее 5 мин ск = 150 мг/м3 = 0,15 г/м3.

М - количество окиси углерода, выделенное в тоннеле.

Кi - количество сжигаемого топлива в тоннеле.

Ki = 0,2 кг/с при движении на подъем.

Ki = 0,01 кг/с при движении на спуск.

qco - количество окиси углерода, выделяемое при сжигании 1 кг топлива. принимаем qco = 0,5.

 кг. = 3680 г.

 кг. = 4800 г.

U - объем транспортной зоны тоннеля, м3.

U = Fт * Lт

Fт - площадь транспортной зоны тоннеля, м2.

Fт = 65,7 м2.

Lт - длина тоннеля, м.

Lт = 1450 м.

U = 65,7 * 1450 = 95265 м3.

 г/м3.

г/м3.

Необходимый объем воздуха для разбавления окиси углерода в воздухе:

t = 15 мин. = 900 с.

 м3/с.

Скорость движения воздуха в тоннеле:

 м/с  м/с.

3.2 Выбор системы вентиляции

Так как скорость движения воздуха в тоннеле менее 6 м/с, применяем продольную вентиляцию тоннеля.

Применение продольной вентиляции с шахтами нецелесообразно из-за больших капиталовложений. Поэтому применяем систему продольной вентиляции с портальной установкой и закрытием выхода из тоннеля.

горный тоннель обделка портал

Вентиляция тоннеля осуществляется следующим образом:

При входе поезда в тоннель закрывается занавес у противоположного портала и воздух нагнетается навстречу поезду. При этом воздух в тоннеле приводится в движение и вредные газы удаляются через входной портал. Эффективность проветривания усиливается, если за поездом, вошедшим в тоннель, опускается занавес и вентиляционная установка входного портала начинает работать на вытяжку.

4. Проектирование тоннельных конструкций

.1 Проектирование и обоснование конструктивных решений тоннельных обделок

Внутреннее очертание обделок тоннелей описываем вокруг габарита приближения строений «С» с учетом размещения за пределами габарита устройств сигнализации, централизации и блокировки, светильников и кабелей.

Между внутренним контуром обделки и угловыми точками габарита оставляем зазор, учитывающий неточность изготовления обделки и возможность ее деформирования под нагрузкой. Величина зазора зависит от прочности грунта.

При f ≥ 3              Δ = 5 - 10 см.

При f < 3             Δ = 10 - 15 см.

Внутреннее очертание обделки зависит от геологических условий. Практика определила ориентировочные границы этих условий, в которых могут применяться обделки того или иного очертания.

Внутренний контур обделки должен располагаться как можно ближе к габариту с условием строительных и эксплуатационных требований.

Ось обделки проектируется плавной, без переломов и стремящейся к квадратной параболе.

Основным материалом для сооружения обделок горных тоннелей являются монолитный бетон, железобетон и набрызгбетон.

При проектировании обделок из монолитного бетона, применяем бетон класса В20.

Тип 1.

Грунт - песчаник глинистый плотный.

Коэффициент крепости: f = 5.

В трещиноватых грунтах с крепостью f ≥ 4 устраивается монолитная бетонная обделка с вертикальными стенами. Свод описан по круговой кривой.

Радиус внутреннего очертания свода:

R1 = 5000 мм..

Радиус внешнего очертания свода:

R3 = 5600 мм..

Габаритные размеры обделки - 11200 * 9230 мм

Ширина вертикальных стенок: hст = 800 мм.

Высота замкового сечения: hз = 600 мм..

Длина участка с данным типом обделки: l = 300м.

Тип 2. Вариант 1.

Грунт - песчаные сланцы слабо трещиноватые.

Коэффициент крепости: f = 12.

В крепких скальных грунтах с крепостью f>10 выработку оставляют без крепления. В качестве облицовки используют 10 см набрызгбетона.

Радиус внутреннего очертания свода:

R1 = 4800 мм..

Габаритные размеры обделки - 9310 * 8760 мм

Длина участка с данным типом обделки: l = 750 м.

Тип 2. Вариант 2.

В грунтах с коэффициентом крепости f ≥ 8 возможно устройство обделки в виде пологого бетонного свода, опертого на уступы грунта. Свод описан по трехцентровой коробовой кривой, стены выполнены из набрызгбетона, толщиной 10 см.

Радиусы внутреннего очертания свода:

R1 = 2800 мм.

R2 = 6000 мм.

Радиусы внешнего очертания свода:

R3 = 6400 мм.

Ширина пяты свода: hп = 533 мм.

Высота замкового сечения: hз = 400 мм.

Длина участка с данным типом обделки: l22 = 750 м.

Тип 3.

Грунт - cупесь с примесью гравия, гальки.

Коэффициент крепости: f = 0,7.

Монолитная бетонная обделка подковообразного очертания с обратным сводом. Описана по трехцентровой коробовой кривой.

Радиусы внутреннего очертания свода:

R1 = 5000 мм.

R2 = 14870 мм.

Радиусы внешнего очертания свода:

R3 = 6320 мм..

Радиусы обратного свода:

R5 = 9600 мм (внутренний).

R6 = 10200 мм (внешний).

Габаритные размеры обделки - 12600 * 10840 мм

Ширина стенки: hст = 1240 мм.

Ширина по обрезу фундамента: h0 = 1710 мм.

Высота замкового сечения: hз = 750 мм.

Сечение обратного свода: hл = 300 мм.

Объем монолитного бетона на 1 п.м. обделки: V3 = 30,58 м3.

Объем разработки грунта на 1 п.м. обделки: V = 110,51 м3.

Площадь выработки 1 п.м.: S3 = 26,64 м2.

Длина участка с данным типом обделки: l3 = 440 м.

4.2 Обоснование конструктивного решения порталов

Переход от тоннеля к предпортальной выемке осуществляется при помощи портала, который служит для обеспечения устойчивости лобового и боковых откосов выемки, отвода воды с лобового откоса и архитектурного оформления входа в тоннель.

В состав портала входит торцевая стена с входным отверстием, водоотводная канавка и первое кольцо обделки. Торцевая стена сваривается с первым кольцом обделки с помощью закладной арматуры или обрезков прокатных профилей и опирается непосредственно на боковые откосы выемки, в которые заделывается на необходимую глубину.

Подошвы торцевой и боковых стен заглубляются относительно низа кюветов в соответствии с глубиной промерзания грунтов в их основании.

Вода, стекающая с лобового откоса, перехватывается поперечной водоотводной канавкой, расположенной за торцевой стеной, и отводится с уклоном 2% канавкой, устроенной по верху откосов выемки, или, в условиях теплого климата, в кюветы по чугунным трубам, заложенным за торцевой стеной.

Дно канавки располагается не ниже чем на 1,5м от верха тоннельной обделки для обеспечения слоя породы, достаточной для амортизации возможных ударов камней, скатывающихся с лобового откоса. Расстояния от низа лобового откоса до портальной стены принимают не менее 1,5 м, а парапет стены не менее чем на 1,1 м выше канавки. Крутизну откоса предпортальной выемки назначают в зависимости от крепости грунта.

При f = 4                      1 : 0,3.

При f = 2                      1 : 0,8.

4.3 Дополнительные устройства в тоннеле

В тоннеле располагаются ниши и камеры. Они требуются для укрытия персонала и оборудования в тоннеле во время прохождения поездов.

Ниши располагаются по каждой стороне тоннеля через 60 метров в шахматном порядке. Ширина ниши - 2 м., глубина - 1 м., высота - 2 м. На профиле намечены лишь оси ниш.

Камеры устраиваются вместо ниш по обоим сторонам тоннеля в шахматном порядке через 300 м. Ширина камеры - 4 м., глубина - 2,5 м., высота - 2,8 м.

Для сбора и удаления воды, просачивающейся через дефектные места обделки, попадающей в тоннель при его мытье или конденсирующейся на обделке из газов, образующихся при сгорании топлива, в тоннеле устроены водоотводный лотки. Они могут располагаться по бокам и по оси тоннеля под балластным слоем.

5. Статический расчет обделки

На участке с крепостью f =5 тоннельная обделка обделка с вертикальными стенами ,свод описан по круговой кривой.

Высота обделки: h = 9,23 м.

Ширина стенки: hст = 800 м..

Ширина по обрезу фундамента: h0 = 1,1 м.

Высота замкового сечения: hз = 0,6 м.

Основные физико-механические характеристики горной породы:

Песчаник глинистый, плотный.

Коэффициент крепости: f = 5.

Объемная масса: 2,5 т/м3.

Кажущийся угол внутреннего трения: φ = 70°.

Коэффициент удельного отпора: k0 = 800.

.1 Составление расчетной схемы

Расчетная схема строится на основе следующих допущений:

плавное очертание нейтральной оси обделки заменяется вписанным стержневым многоугольником.

распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах усилиями.

сплошная грунтовая среда заменяется отдельными упругими опорами, расположенными в вершинах многоугольника перпендикулярно наружной поверхности обделки.

Расчетная схема обделки:

Расчетная схема симметричная, в ней 14 узлов и 14 стержней. Горизонтальные силы действуют на все стержни, а вертикальные - только до узла 7.

5.2 Определение нагрузок и других параметров обделки и грунта.

Расчет горного давления.

Пролет свода обрушения:

 м.

Для выработок расположенных в глинистых грунтах и при h1 ≤ 2H высота свода обрушения определяется по формуле:

м.

так как f>4 то горное давление определяем от веса отдельных вывалов из свода выработки. Нагрузка примерно равна весу вывала и распределяется на четверть свода в его верней части. Горизонтальное давление не учитываем так как оно мало.

Вертикальное давление:

=2.5*1.3= 3.25т/м2

Нагрузка от собственного веса.

G - вес сводчатой части обделки.

ρбетона = 2,5 т/м3.

G = V * ρ = 7.8 * 2,5 = 19,5 т.

 т/м2.

Определим расчетные нагрузки учитывая коэффициенты надежности по нагрузке.

К1 = 1,8               К2 = 1,2

qр = 1,8 * 3.25+1,2 * 1.74 = 7.95 т/м2.

Коэффициент упругого отпора:

 где К0 = 800 кг/см3

 т/м3.

Во втором варианте увеличиваем подъемистость свода на 10см. в третьем уменьшаем на 10см.

вертикальное давление грунта изменяется незначительно, поэтому мы им пренебрегаем.

5.3 Расчеты на ЭВМ

Расчет обделки производится методом Метрогипротранса с помощью программы «обделка».

Для расчета необходимо заполнить 2 таблицы:

описание углов в прямоугольных координатах.

Описание стержней.

Эти таблицы приведены в расчете.

5.4 Проверка прочности сечений обделки по предельным состояниям

Проверка прочности производится по первой группе предельных состояний.

Расчет ведется на расчетные значения нагрузок и расчетные характеристики материалов.

Общая формула:

где: Nр - расчетное значение усилия.

Nн - Значение усилия от нормативной нагрузки.

Ki - коэффициент надежности по нагрузке.

Nпр - предельное значение усилия.

Ведем проверку сечений с наибольшим и наименьшим эксцентриситетом e0.

Сечение 1.

Проверяем эксцентриситет:

e0 = 0,8098 м. = 80,98 см. ≤ 0,45*h = 0,45*0,6 = 0,27 м. = 27 см.

Случай больших эксцентриситетов.

Где: η - коэффициент, учитывающий гибкость элемента.

Для обделки из монолитного бетона η = 1.

α - коэффициент, учитывающий вид бетона.

Для тяжелых бетонов α = 1.

Rb - расчетное сопротивление бетона сжатию.

Для бетона класса В20 Rb = 115 кгс/см2.

b - ширина сечения. b = 1 м.

h - высота сечения, м.

γy - коэффициент условий работы. Для тоннелей из монолитного бетона учитывает неточность назначения расчетной схемы. γy = 0,9.

 т.

Nр = 17,8 т. ≤ Nпр = 237,8 т.

Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.

Сечение 2.

Проверяем эксцентриситет:

e0 = 0,75 м. = 70,5 см. ≤ 0.45*h = 0,45*0,8 = 0,37 м. = 37 см.

Случай больших эксцентриситетов.

 т.

Nр = 19.8 т. ≤ Nпр = 169.7 т.

Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.

В дальнейшем увеличении толщины обделки нет необходимости, так как при принятых толщинах свода и стен прочность обделки обеспечена.

Для предотвращения появления трещин следует выполнить армирование растянутой зоны бетона.

Сравнительные графики (для сводового сечения обделки).

где: N - нормальная сила в сечении, т.

F - площадь сечения, м2.

М - момент в сечении, тм.

I - момент инерции сечения, м4.

y - расстояние до нейтральной оси, м.

Результаты вычислений приведены в таблице

Как видно из графиков, при увеличении подъемистости свода:

сжимающие напряжения по наружной поверхности обделки уменьшаются.

растягивающие напряжения по внутренней поверхности обделки уменьшаются.

момент в сводовом сечении обделки уменьшается.

нормальная сила уменьшается.

Оптимальной является обделка при Y=8.9м

Список использованной литературы

1. «Проектирование тоннелей, сооружаемых горным способом». Методические указания. Ю.С Фролов, ЛИИЖТ, 1983.

. «Тоннели и метрополитены» под редакцией В.Г. Храпова и д.р. М., Транспорт,1989;

. СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» (Государственный комитет РФ по жилищной и строительной политике (Госстрой России)) М., 1997.

. «Расчет подземных сооружений с применением ЭВМ». Методическое указание. Т.В. Иванес, В.В. Свитин, ЛИИЖТ, 1991.