N5, 2002

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И СТРОИТЕЛЬСТВА ТРАНСПОРТНЫХ ТУННЕЛЕЙ
В УСЛОВИЯХ СУРОВОГО КЛИМАТА

ГОЛЛИ О.Р.

Введение

Конструкции обделок транспортных туннелей и галерей, проложенных в пучинистых при промерзании грунтах, при наступлении отрицательных температур воздуха в районах сурового климата и вечной мерзлоты подвергаются воздействию сил морозного пучения грунта, промерзающего изнутри туннеля, со стороны охлаждающейся обделки.

Закономерности морозного пучения грунтов были получены в России более 20 лет назад. С их помощью могут быть определены дополнительные нагрузки от промерзающего вокруг туннеля грунта, и проектирование может быть выполнено с учетом этих дополнительных нагрузок.

При строительстве туннеля в рамках национальной программы “Синхрофазотрон” в слабых водонасыщенных плывунных грунтах искусственно замораживаемые грунты неоднократно разрушали, раздавливали обделку, развивая давление свыше 2,0 МПа. Грунт под обделкой выбирался, подрабатывался, но после восстановления обделки процесс повторялся. В результате строительство было законсервировано. Возможно решение проблемы при использовании описанных ниже закономерностей морозного пучения грунтов.

Управляющие закономерности морозного пучения грунтов

Управляющие и обобщающие закономерности морозного пучения грунтов [2, 3] отражают объективно существующие зависимости между величинами морозного пучения h¦ , глубиной промерзания d¦ и вертикальным давлением σn¦ (нормальными силами пучения). Эти зависимости аппроксимируются уравнениями

σn¦ = σn¦max ехр(-nh¦); (1)

h¦  =  h¦max ехр(-md¦), (2)

где m и n параметры, определяемые экспериментально.

Данные зависимости представлены на рис. 1. Здесь каждой точке нижней кривой “d¦–h¦” однозначно соответствуют глубина промерзания d¦ и пучение h¦, а каждой точке верхней кривой “σn¦ h¦” – величины пучения h¦ и радиального давления σn¦ между обделкой и грунтом. Разница между величиной свободного пучения грунта h¦max и величиной реализовавшегося пучения h¦ уравновешивается реализующимся давлением между обделкой и грунтом σz = σn¦ :

Dh¦ = h¦max – h¦. (3)

Чем выше податливость конструкции, тем больше величина реализующегося пучения и тем меньше величина давления σn¦, уравновешивающего эту разницу Dh¦.

Полученные закономерности были нормализованы и использованы для решения многих прикладных инженерных задач в строительстве [2, 3, 4].

Использование закономерностей морозного пучения грунтов
при проектировании и строительстве туннелей

В условиях сурового климата в зимний период, когда в туннеле устанавливается устойчивая отрицательная температура воздуха, начинается процесс промерзания грунта за обделкой. Этот процесс, как и при промерзании грунта со стороны дневной поверхности, идет вглубь массива со стороны обделки вокруг туннеля (со стороны поверхности фронта воздействия отрицательных температур –Т°С и температурного градиента ÑТ°С), а почвенная влага мигрирует из глубины массива к фронту промерзания, т. е. к обделке. В результате обделка туннеля оказывается всесторонне обжатой промерзающим пучащимся грунтом, и чем больше глубина промерзания, пучение, тем сильнее обжатие (рис. 1, а и б). Силы обжатия создают дополнительную нагрузку, которая обычно не учитывается и никак по величине не регламентируется. Возникающие усилия направлены внутрь, к геометрическому центру сечения туннеля. При этом деформация обделки в результате обжатия, обеспечивая некоторую податливость конструкции, несколько уменьшает нагрузки, действующие на обделку (рис. 1, в). 

Рис. 1. Схема к определению дополнительных нагрузок на обделку при промерзании грунта: а, б – в начале и конце сезона промерзания; в – определение нагрузки; 1, 3 – кривые d¦ – h¦; ;  2, 4 – кривые h¦ - σn¦; 5, 6 – огибающие кривые

 Реализующееся пучение промерзающего грунта h¦  (см. рис. 1, в) обжимает обделку, и ее радиальная деформация на некоторую величину Dr = Dh¦ позволяет грунту увеличиться в объеме на эту же величину Dh¦ = Dr. Результирующему пучению (h¦ +Dh¦) соответствуют “нормальные силы пучения” σn¦р2 (силы обжатия q), которые несколько меньше начальных, исходных: σn¦р2 < σn¦р1. Однако, такая деформация Dh¦ не может быть безграничной: она стабилизируется при некотором своем значении после того, как установится равновесие между внутренними и внешними силами, действующими на обделку.

Принципиально возможны два конструктивных варианта решения проблемы учета воздействия морозного пучения на обделку и борьбы с ним:

1. Создание относительно податливой, не жесткой, не замкнутой по контуру обделки, если позволяют геологические и гидрологические условия (грунты не являются сильно пучинистыми, отсутствуют чрезмерное увлажнение грунта или напорные грунтовые воды). В этом случае обделка может быть не замкнута по контуру, иметь свободные, подвижные нижние концы, которые при ее обжатии могут перемещаться, несколько меняя сечение тоннеля, что может существенно уменьшить “нормальные силы пучения”, обжимающие обделку. В этом случае, когда грунтовые условия более благоприятны и воздействие сил пучения невелико, по-видимому, можно обойтись без дополнительных конструктивных противопучинных мероприятий.

2. Устройство жесткой, замкнутой обделки, которая может работать в менее благоприятных грунтовых условиях, но должна воспринимать большие нагрузки и усилия. В этом случае обделка, имеющая цилиндрическую форму, представляет собой неразрезную конструкцию, она является более жесткой, и ее деформации будут более ограниченными. В любом случае здесь уже требуется совместное решение уравнения деформаций трубы под действием внешней равномерно распределенной радиальной нагрузки σn¦ = q и уравнения, определяющего величину этой нагрузки q в зависимости от реализовавшейся деформации пучения (h¦ +Dh¦). Графически это может быть представлено совмещением по оси деформаций графика зависимости между “нормальными силами пучения” σn¦ и деформациями пучения h¦ и графика зависимости между удельным отпором грунта F и радиальными деформациями обделки Dr с учетом механических характеристик ее материала (рис. 2).

Рис. 2. Схема к учету дополнительного давления на цилиндрические обделки: а – промерзание и пучение вокруг обделки; вгорное давление: 1 – σn¦; 2 – граница промерзания из туннеля; 3 – радиальные напряжения в обделке σr; 4 – обделка; 5 – радиальная деформация обделки Dr; 6 – зависимость “σn¦h¦”; 7 – зависимость  “σrDr

 Когда туннель или галерея имеют прямоугольное сечение, нагрузка, приложенная к обделке снаружи, не является равномерно распределенной, как в предыдущем случае. В середине пролета стойки или ригеля коробки обделки (L/2), где податливость конструкции будет максимальной, величина нагрузки окажется, наоборот, минимальной (рис. 3). Возле углов (около “жестких узлов”) нагрузка достигнет максимальной величины, т. е. сечения обделки около “жестких узлов” будут наиболее ответственными. В данном случае должны решаться совместно два уравнения: σn¦=f1(h¦) и уравнение зависимости прогиба W (или, что то же самое, h¦р) от нагрузки W=f2(q). Для разных точек пролетов ригеля или стойки жесткой прямоугольной коробки значения q=σn¦ могут быть получены вполне определенно и однозначно с графика вида σn¦=f3[h¦(W)] (см. рис. 3).

Рис. 3. Схема к определению дополнительных нагрузок на обделку туннеля прямоугольного сечения, возникающих при промерзании и пучении грунта вокруг обделки 

Таким образом, характер распределенной дополнительной нагрузки на жесткую коробку обделки туннелей и галерей прямоугольного сечения отличается от характера нагрузки, соответствующей традиционному расчету. Для обеспечения необходимой прочности и раскрытия трещин не более допустимого конструкция обделки должна удовлетворять обеим расчетным схемам – в талом и мерзлом состояниях.

Выводы

Предложенные закономерности морозного пучения грунтов были многократно использованы для решения инженерных задач в аэродромном, дорожном, гражданском, промышленном, жилищном и гидротехническом строительстве. Приведенные к нормализованному виду, они могут быть использованы в любом регионе, в любой по климатическим условиям год, так как имеют интегральный, обобщающий природный характер. Их следует использовать при проектировании и строительстве туннелей для установления величины и характера дополнительных нагрузок. Использование закономерностей морозного пучения грунтов вследствие однозначного и определенного соответствия друг другу парных значений аргумента и функции позволяет отказаться при расчетах и проектировании конструкций от громоздкого, трудоемкого и в то же время приближенного метода итераций.

Правильный учет дополнительных нагрузок, действующих на обделку туннеля со стороны промерзающего или искусственно промораживаемого грунта, позволит сделать ее более надежной и долговечной при сокращении сроков строительства, снизить расходы на строительство, увеличить межремонтные сроки эксплуатации.

Список литературы

1. Голли О.Р. Определение нормальных сил морозного пучения в зависимости от величин морозного пучения и степени стесненности деформаций пучения по результатам полевых и лабораторных опытов// Инженерно-стро­ительные изыскания: Сб. статей ЦТИСИЗ. №3(51). М.: Стройиздат, С. 61–67.

2. Голли О.Р. Некоторые закономерности морозного пучения грунтов и перспективы их использования в строительстве// Изв. ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева “Грунтовые плотины в северной строительно-климатической зоне”: Сб. науч. тр. № 149. Л., 1981. С. 79–81.

3. Голли О.Р. Некоторые закономерности морозного пучения грунтов и перспективы их использования в строительстве // Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве. М.: Наука, 1986. С.53–61

4. Голли О.Р., Егоров А.И. Проблемы приложения к решению инженерных задач закономерностей морозного пучения и его влияние на строительные свойства пород // Изв. ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева “Основания гидротехнических сооружений”: Сб. тр. № 215. Л., 1990. С. 43–51.