Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Конструктивные параметры и методы расчета сборных чугунных обделок. постановка задачи исследования 11
1.1 Конструктивные особенности чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитена 11
1.2 Конструктивные параметры чугунных обделок больших диаметров (станционных, эскалаторных тоннелей метрополитена и др.) 23
1.3 Исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности чугунных обделок тоннелей метрополитена 28
1.4 Конструкция облегченной обделки (традиционного типа) из чугуна повышенной прочности 36
1.5 Методы расчета обделок со связями растяжения в стыках 44
1.6 Постановка задачи исследования 49
ГЛАВА II. Экспериментальные и натурные исследования и испытания чугунных обделок перегонных тоннелей метро 52
2.1 Методика испытаний на прочность, трещиностойкость и деформируемость чугунных обделок 52
2.2 Основные результаты стендовых испытаний серийной обделки (Лентрублит) 55
2.3 Основные результаты стендовых испытаний облегченной обделки из чугуна повышенной прочности СЧ-3 5 59
2.4 Анализ результатов испытаний и выводы по главе 63
ГЛАВА III Натурные испытания и математическое моделирование воздействия щитовых домкратов на тюбинг облегченной чугунной обделки 64
3.1 Испытание чугунного тюбинга на воздействие щитовых домкратов... 64
3.2 Выводы по результатам испытания тюбинга 81
3.3 Математическое моделирование испытаний воздействия щитовых домкратов на тюбинг облегченной обделки Ч-51А-НСК-10 83
3.4 Выводы по главе 108
ГЛАВА IV. Методика определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок. математичекое моделирование напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец обделки из чугуна повышенной прочности 110
4.1 Методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок 110
4.2 Напряженно-деформированное состояние тюбинга под воздействием трех щитовых домкратов 112
4.3 Устойчивость спинки и ребер тюбинга облегченной чугунной обделки 124
4.4 Расчет тюбинга на воздействие давления раствора нагнетания на спинку облегченной обделки 127
4.5 Нагрузки от горного давления и расчет облегченных чугунных обделок тоннелей метрополитенов 131
4.6 Расчет облегченной чугунной обделки методом механики сплошной среды 136
4.7 Численное моделирование статической работы стыка обделки из чугуна повышенной прочности со связями растяжения 142
4.8 Выводы по главе 152
ГЛАВА V. Конструкции тоннельных обделок из чугунов повышенной прочности 154
5.1 Конструктивные параметры тюбингов облегченной тоннельной обделки Ч-51А-НСК-10 154
5.2 Конструкции облегченных тоннельных обделок метрополитенов из чугунов повышенной прочности 158
5.3 Выводы по главе 172
Заключение 173
Список литературы
- Конструктивные параметры чугунных обделок больших диаметров (станционных, эскалаторных тоннелей метрополитена и др.)
- Основные результаты стендовых испытаний серийной обделки (Лентрублит)
- Математическое моделирование испытаний воздействия щитовых домкратов на тюбинг облегченной обделки Ч-51А-НСК-10
- Напряженно-деформированное состояние тюбинга под воздействием трех щитовых домкратов
Введение к работе
Чугунная тоннельная обделка в настоящее время является конструкцией, отвечающей всем требованиям, предъявляемым к конструкциям подземных сооружений метро: прочность, устойчивость, надежность, водонепроницаемость (как основное требование экологической и эксплуатационной безопасности), ремонтопригодность, исключение ошибок при сборке (технологическая надежность), минимальные эксплуатационные расходы, "инвентарность", т.е. возможность многократного применения тюбингов (для временных подземных сооружений, например пилот-тоннелей, рабочих стволов, временных выработок). Уникальным свойством является огнестойкость чугунных конструкций - крайне важное условие безопасности эксплуатации и самого существования тоннеля, наконец, эффективное сопротивление сейсмическим и иным ударным нагрузкам ("живучесть" подземного сооружения). Перечисленные факторы определили возможность повсеместного применения чугунных обделок, в первую очередь, в особо тяжелых инженерно-геологических условиях заложения тоннеля.
В общей стоимости тоннелей значительную часть (около 60%) составляет стоимость обделки. Следовательно, сокращение стоимости обделки является наиболее результативным способом повышения экономической эффективности строительства. Выполнение этой задачи можно осуществить путем замены чугунных обделок железобетонными или путем совершенствования самих чугунных обделок с целью уменьшения их металлоемкости.
Хотя в современном отечественном метростроении использование чугунных обделок ограничивают сложными инженерно-геологическими условиями, тем не менее их протяженность составляет около 1/4 участков строящихся перегонных тоннелей метрополитена и практически все станции глубокого заложения.
В диссертации рассматриваются вопросы совершенствования чугунных обделок тоннелей метрополитена в направлении сокращения их металлоем-
7 кости на основе анализа натурных исследований, стендовых испытаний, исследований упруго-пластической работы отдельных тюбингов и колец обделки из чугунов повышенной прочности.
Актуальность работы определяется необходимостью теоретического обоснования и определения основных конструктивных параметров чугунных тюбингов облегченных тоннельных обделок повышенной прочности, предназначенных для строительства перегонных и станционных тоннелей отечественных метрополитенов, призванных заменить устаревшие, металлоемкие, не отвечающие ряду требований современных норм серийные конструкции обделок перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей отечественных метрополитенов.
Цель работы - определение эффективных параметров тюбингов тоннельных обделок из чугуна повышенной прочности. Под эффективными в работе понимаются геометрические параметры (размеры и толщины рабочих круговых и радиальных ребер, спинки, диафрагм и т.п.), обеспечивающие максимальное уменьшение массы обделки без снижения ее несущей способности.
В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд основных задач: - провести анализ экспериментальных и натурных исследований и стендо вых испытаний чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитенов (се рийной - Лентрублит) и облегченной конструкции повышенной прочности; -разработать методику определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности; - провести математическое моделирование напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец облегченной чугунной обделки с применением ме тода конечных элементов. -В ходе математического моделирования изучить: восприятие рабочими ребрами и диафрагмами тюбингов давления щитовых домкратов с определением условий установки распорок в монтажный период; пространственную работу спинки тюбинга; устойчивость ребер и спинки тонкостенной конструкции тюбинга; влияние на напряженно-деформированное состояние тюбингов связей растяжения (болтов) в радиальных (рабочих) стыках; -на основании полученных результатов исследований и расчетов откорректировать и обосновать конструктивные параметры облегченной чугунной обделки ЦНИИС (Ч-51А-НСК-10) как унифицированной конструкции перегонных тоннелей отечественных метрополитенов; -на основе детально обоснованной конструкции обделки Ч-51А-НСК-10 для перегонных тоннелей и методики определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок, разработать конструкции обделок станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена.
Метод исследований напряженно-деформированного состояния обделки, элементов и узлов тюбингов с учетом пластических свойств чугуна - математическое моделирование. Экспериментальные исследования облегченной чугунной обделки повышенной прочности - испытание на кольцевом стенде ЦНИИС и в производственных условиях. Результаты проведенных расчетов сопоставлялись с данными результатов испытаний.
Научная новизна работы заключается в следующем: проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования пространственной работы элементов облегченного чугунного тюбинга с учетом упруго-пластической работы материала (на воздействие щитовых домкратов, на воздействие на спинку тюбинга давления от нагнетания, работа стыка обделки с учетом болтового соединения); разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок; - разработаны конструкции обделок для станционных и эскалаторных тон нелей отечественного метрополитена.
Практическая значимость данной работы заключается в возможности получения, на основе разработанной автором методики и проведенных исследований на математических дискретных моделях, новых облегченных конструкций чугунной обделки тоннелей метрополитенов.
Проведенные исследования и использование методики позволили автору научно обосновать эффективные (т.е. менее металлоемкие) конструктивные параметры чугунных обделок, при сохранении требуемой несущей способности конструкции.
Достоверность полученных результатов определяется: строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; учетом требований действующих нормативных документов; высокой сходимостью результатов расчетов по математическим моделям с натурными испытаниями облегченной обделки повышенной прочности.
Апробация работы.
Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:
На П-й Международной конференции. "Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений", г.Екатеринбург, 2007 г.
На Международной научно-технической конференции "Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологических и градостроительных условий", г. Москва, 2007 г. на заседаниях секции НИЦ "Тоннели и метрополитены" Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2005-2007 гг.
Реализация результатов. Результаты работы использованы при проектировании конструкций сборных облегченных чугунных обделок для перегонных тоннелей (Дн/Дв = 5,46/5,1 м), станционных и эскалаторных тоннелей, а также для теоретического обоснования и расчетов перспективных конструкций обде-
10 лок перегонных тоннелей с шарнирными стыками и обделок равного сопротивления.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Основной текст изложен на 205 страницах, содержит 35 таблиц, 102 рисунков, включает в себя 7 приложений на 20 листах. Ссылки даны на 115 источников.
Автор выражает благодарность научному руководителю к.т.н. О.Ю. Антонову, коллективам лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС и Научно-исследовательской и проектно-изыскательской лаборатории «Основания и фундаменты» кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» Южно-Уральского государственного университета за помощь при проведении исследований.
Конструктивные параметры чугунных обделок больших диаметров (станционных, эскалаторных тоннелей метрополитена и др.)
Конструкции чугунных тюбингов станционных обделок отечественного метрополитена на начальном этапе внедрения были аналогичны проектам тюбингов английского метрополитена.
В Лондоне чугунные кольца станционных тоннелей, диаметром в 6,47 м, состоят из 12 нормальных и одного ключевого тюбингов (рисунок 1.8). Ширина тюбингов устанавливалась в соответствии с ходом поршня гидравлических домкратов щита [55].
В 1927-29 годах в Англии был построен крупный автодорожный тоннель под рекой Мереей наружным диаметром 14,17м (13,41м внутренним) с обделкой из чугунных тюбингов (рисунок 1.9). Общая протяженность тоннельного перехода 4630м, 3400м - главный тоннель. Обделка собиралась из тюбингов корытного сечения, ширина кольца 0,61м с толщиной стенки в 38 мм при весе каждого в 900 кг [551.
Практически поперечное сечение тоннеля повторил Лефортовский тоннель (Москва, 2003 г.) только со сборной железобетонной обделкой с двойным рядом резиновых уплотнителей.
Трехсводчатые станции со сборной обделкой из чугунных тюбингов начали широко применяться в практике строительства отечественных метрополитенов с начала второй очереди сооружения Московского метрополитена. В этот период происходило массовое внедрение в технику тоннеле- и метростроения тоннельнопроходческих щитов, тюбингоукладчиков для монтажа обделки, породопогрузочных машин и другого оборудования, позволявшего механизировать наиболее трудоемкие и тяжелые работы. Благодаря этим мероприятиям и применению сборных чугунных обделок тоннелей удалось резко снизить трудозатраты и, несмотря на большие затраты металла, стоимость возведения станций метрополитена [30].
В практике строительства метрополитенов тоннели с обделкой из чугунных тюбингов трехсводчатых станций пилонного и колонного типа принимают двух размеров - с наружным диаметром 8,5 и 9,5 м (см. приложение 2). Все тоннели трехсводчатых станций имели вначале диаметр 9,5 м, а обделки боковых тоннелей диаметром 8,5 м возводят из экономии металла и средств [44]. Рассмотрим вначале станционную обделку тоннелей наружным диаметром 9,5 м.
Обделка тоннелей состоит из отдельных колец шириной 0,75 м и наружным диаметром 9,5 м. Каждое кольцо образовано из 16 тюбингов, из которых 13 нормальных СН (рисунок 1.11), два смежных С С и один ключевой СК. Все тюбинги имеют одинаковое поперечное сечение высотой 0,35 м.
Соединение тюбингов производится болтами диаметром 42 мм, для чего в их кольцевых бортах принято по 61 отверстию диаметром 47 мм, а в продольных бортах - по четыре отверстия. Для гидроизоляции болтовых от верстай применяют, как и в перегонных тоннелях, металлические сферические шайбы с прокладками из битума [59].
В середине спинки каждого тюбинга расположены отверстия для нагнетания песчано-цементного раствора за обделку, которое закрывается чугунной пробкой с резьбой.
Вес одного нормального или смежного тюбинга 1,22 т, а ключевого -0,42 т. Общий вес чугунного кольца составляет 18,72 т, а вес его скреплений и пробок - 0,472 т [22].
Учитывая неравномерность распределения усилий по периметру кольца, определенную по расчету методом Метропроекта, а не методами механики сплошной среды, где "МсверХу=МСНизу", обделки и, в частности, незначительную величину изгибающих моментов в нижней половине кольца обделки, в целях экономии металла применяют обделки переменной жесткости. В такой обделке девять нижних тюбингов СН заменяют облегченными тюбингами СНО, имеющими одинаковые с нормальными тюбингами наружные размеры, но уменьшенные толщины бортов и спинки. Вес такого облегченного тюбинга составляет 0,92 т, а общий вес кольца обделки переменной жесткости - 16,02 т, т. е. уменьшается на 2,7т [22].
Другим типом станционного тоннеля является конструкция обделки из чугунных тюбингов наружным диаметром 8,5 м, допускающая устройство в боковых тоннелях пассажирских платформ шириной 3 м.
Обделка станционных тоннелей в этом случае состоит из чугунных тюбинговых колец переменной жесткости шириной 0,75 м. Все тюбинги имеют одинаковую высоту 0,3 м. В поперечном сечении тюбинги имеют два ребра. Вес облегченного тюбинга составляет 0,77 т, общий вес кольца обделки 14,99 т, а вес скреплений и пробок 0,35 т. Общее число болтовых отверстий диаметром 41 мм по кольцу принято 64, а в продольных ребрах - 4. Диаметр болтов 36 мм. Гидроизоляция болтовых отверстий одинакова с чугунными обделками диаметром 9,5 м [22, 30, 92].
Конструктивные параметры и характеристики тюбингов станционных тоннелей представлены в таблице приложения 3.
Эскалаторные тоннели метрополитена имеют наружный диаметр 7,5 м (при трех эскалаторах в тоннеле) и 9,5 м (при четырех эскалаторах - рисунок 1.12).
Обделка эскалаторных тоннелей под три эскалатора выполняется из чугунных тюбингов шириной 1 м с 14 тюбингами в кольце диаметром 7,5 м (высота тюбинга 25 см) и шириной 0,75 м при 15 тюбингах в кольце диаметром 9,8 м (высота тюбинга 35 см). Масса одного нормального тюбинга для кольца диаметром 7,5 м составляет 0,93 т, а для кольца диаметром 9,5 м - 1,22 т [22]. Характеристики тюбингов и их конструктивные параметры представлены в таблице приложения 4.
В таком виде с начала 50-х годов прошлого века обделки станционных и эскалаторных тоннелей дошли до наших дней.
Основные результаты стендовых испытаний серийной обделки (Лентрублит)
В кольце обделки Лентрублита 10 тюбингов, в том числе 7 нормальных, 2 смежных и 1 замковый. Наиболее напряженными по опыту предыдущих испытаний были зоны 2-го и 8-го тюбингов (при нумерации от шелыги по часовой стрелке, начиная со смежного).
Обделка испытывалась в упругом варианте; кольцо монтировалось с болтовыми связями, т.е. имело традиционную проектную схему. При этом было установлено, что два стыка на противоположных частях у горизонтального диаметра кольца имеют с внутренней стороны зазоры по 6-8 мм, которые убрать не удалось, что означало отклонение торцов тюбингов от радиального направления, т.е. неточность их изготовления.
Неточность изготовления тюбингов приводит к опиранню их в кольце не по всей плоскости, а на кромку; в данном случае в обделке было два стыка (2-3 и 7-8), где тюбинги контактировали по своей наружной кромке. Это создавало значительные дополнительные ( не вызванные активной нагрузкой на обделку) изгибающие моменты, ухудшая напряженное состояние конструкции.
Изменение диаметров кольца обделки завода Лентрублит при испытаниях на кольцевом стенде ЦНИИС, мм
Радиальные перемещения (в мм) тюбингов завода Лентрублит из СЧ-20 при нагрузках:48,72,96,120 тс/м2 При рассмотрении результатов испытания обделки, нагрузка на которую в данном случае была доведена до 160 тс/м" (обделка при этом не потеряла несущей способности), раскрываются оба шелыговых стыка K-I и К-9, закрываются остальные стыки верхнего полукольца. В нижнем полукольце раскрываются стыки 3-4 и 6-7, а лотковые 4-5 и 5-6 - закрываются, т.е. картина раскрытия и закрытия стыков симметрична относительно вертикальной оси кольца и несимметрична относительно горизонтальной. Величина раскрытия и закрытия всех стыков нижнего полукольца и стыков 2-3 и 7-8 верхнего весьма не значительна. Все индикаторы, установленные на верхнем торце вблизи оси инерции кольца, показывают закрытие стыков, включая стыки 1-2 и 8-9, закрытие которых зафиксировано также и с внутренней стороны, что свидетельствует о том, что деформации происходят за счет сжатия материала, достигающего по внутреннему контуру у этих стыков 3-х мм (пластической деформации). Продольные относительные деформации в ребрах тюбингов исключительно неравномерны. Растягивающие деформации достигают в ребрах замка 0,00106, т.е. напряжения в них превышают 1000 кгс/см (рисунок 2.4). Сжи-мающие деформации при нагрузке 120 тс/м в ребрах смежного тюбинга №1 составляют 0,0059, что соответствует 3500 кгс/см , т.е. почти вдвое превышает расчетные напряжения.
Существенно отличаются друг от друга напряжения в крайних средних ребрах. Если учесть, что нагрузка на обделку была доведена до 156 тс/м , то по экстраполяции можно полагать, что напряжения сжатия в ребрах доходят до 4000 кгс/см ; при этом разрушений их не происходит.
Напряжения сжатия в спинках тюбингов достигли 800 кгс/см . Повреждения в спинках не обнаружено. Довольно значительны деформации растяжения в поперечном направлении. В нормальных тюбингах они соответствуют 600-800 кгс/см ; в смежных - до 1000-1200 кгс/см . Трещины в диафрагмах обделки шириной 0,05-0,15 мм обнаружены при 96 тс/м ; они появились в промежуточных диафрагмах вследствие значительных поперечных деформаций. Кольцевые ребра смежного № 1 и нормального тюбинга № 2 при сжатии кольца расходятся в стороны, т.е. при испытании на стенде имеется тенденция потери -устойчивости ребер, что в натуре при таких нагрузках еще невозможно, ибо вдоль тоннеля кольца прижаты друг к другу кольцевыми ребрами. Следовательно, считать эти трещины характерными для статики обделки в натуре нельзя.
При нагрузке 120 тс/м появилась трещина в соединении продольного борта с кольцевыми в тюбинге № 1 у стыка с замком. При 140 тс/м продольное ребро было оторвано от тюбинга, однако конструкция продолжала нести возрастающую нагрузку, т.е. в данном сечении образовался пластический шарнир, и обделка лишь изменила свою статическую схему.
Математическое моделирование испытаний воздействия щитовых домкратов на тюбинг облегченной обделки Ч-51А-НСК-10
Широкое распространение современной вычислительной техники за последние 15 лет существенно изменило процесс инженерной деятельности. Появление на рынке программного обеспечения современных комплексов CAD и САЕ (средств обеспечения исследований) позволяет ускорять процессы проектирования и исследования различных конструкций. Использование современных методов вычислений, реализованных в комплексах САЕ, дает возможность проводить исследования различных характеристик проектируемых объектов, что позволяет менять конструкцию этих объектов без создания экспериментальных образцов и не прибегать к длительной и дорогостоящей процедуре натурных испытаний [3,17-19, 78, 97].
Среди средств САЕ важное место занимают комплексы метода конечных элементов (МКЭ, FEA), позволяющие проводить имитационное моделирование работы исследуемой конструкции на основе подробного описания ее геометрии, физики моделируемых процессов, свойств применяемых материалов, эксплуатационных характеристик и иных указываемых пользователем исходных или начальных данных. В настоящее время среди комплексов МКЭ можно указать такие известные продукты, как Диана, ИСПА, SCAD, ABAQUS, ANSYS, COSMOS, MSC/NASTRAN, SAMSEF [97].
Большинство комплексов МКЭ позволяет инженерам-исследователям решать задачи статические (линейные, а также физически и геометрически нелинейные), определять собственные частоты модели (собственные колебания), исследовать поведение модели при воздействии гармонически изменяющихся нагрузок (вынужденные колебания), задачи линейной и нелинейной устойчивости, а также линейные и нелинейные динамические переходные процессы и т.д.
В последнее время четко обозначилась тенденция группирования инструментов геометрического моделирования и расчетных программ в интегрированные системы. Одной из фирм, положившей начало этому процессу, была РТС (Parametric Technology Corporation), внедрившая в продукт Pro/Engineer модули расчета на прочность методом конечных элементов, процедуры кинематического и динамического анализа. Сейчас остались считанные единицы расчетных программ, которые не имели бы в большей или меньшей степени усеченного или адаптированного варианта, функционирующего как приложение к Solidworks, Autocad, Pro/Engineer или какой-либо другой CAD-системе [17-19].
Для решения задач по изучению напряженно-деформируемого состояния тюбингов облегченных чугунных обделок было проведено тестовое сравнение возможностей четырех самых распространенных комплексов МКЭ и их дополнительных интегрированных модулей - ANSYS (ANSYS WORKBENCH), ABAQUS, COSMOS (COSMOSWORKS), MSC/NASTRAN (MSC/PATRAN).
Модули ANSYS WORKBENCH, COSMOSWORKS, MSC/PATRAN являются интегрированными средами моделирования, анализа и проектирования на основе современного графического интерфейса и обладают ассоциативной связью с известными CAD-системами (САПР).
Современные CAD-системы содержат всю необходимую номенклатуру инструментов, ориентируемых на последующее использование программ расчета, что позволяет получить весьма точные геометрические модели исследуемых конструкций. Интегрируемые модули расчетных комплексов в абсолютном большинстве адекватно обрабатывают полученную информацию от САПР-систем.
По результатам сравнительного анализа нескольких расчетных программ был выбран комплекс ANSYS (с программной средой ANSYS WORKBENCH), который содержит модель пластичности чугуна (cast iron plasticity), что, в свою очередь, позволяет наиболее корректно учесть упруго-пластическое поведение материала обделки - чугуна.
Поставленная задача о воздействии щитовых домкратов на конструкцию облегченной тюбинговой обделки из чугуна повышенной прочности является нелинейной задачей механики твердого тела. Прежде всего, нелинейность обусловлена учетом упруго-пластической работы материала тюбинга (чугуна СЧ 35),
Пластическое поведение материала, не зависящее от скорости деформирования, характеризуется необратимой деформацией, которая возникает при достижении в материале определенного уровня напряжений. Пластические деформации предполагаются возникающими мгновенно, т.е. не зависящими от времени.
Напряженно-деформированное состояние тюбинга под воздействием трех щитовых домкратов
По результатам расчетов кольца обделки автор получил поперечное сечение тюбинга с необходимых прочностным запасом.
Натурные исследования статической работы тюбингов и их анализ (см. 1 -3 главы) показали, что тонкостенные, облегченные элементы обделки, выполненные из чугунов повышенной прочности, требуют дополнительных расчетов и проверок устойчивости спинки тюбинга, конструкции тюбинга на воздействие временных нагрузок (давление щитовых домкратов), прочности бортов от затяжки болтов тюбинга (наличие остаточных растягивающих напряжений) и определения прочности спинки тюбинга на воздействие давления от нагнетаемого раствора за обделку.
Проведение дополнительных проверок конструктивных элементов тюбинга окончательно формирует поперечное сечение и размеры тюбинга, тем самым мы получаем наиболее эффективное сечение тюбинга и окончательно определяем все необходимые конструктивные элементы кольца облегченной обделки.
Согласно СП 32-105-2004 «Метрополитены» расчеты подземных сооружений следует выполнять по предельным состояниям с учетом возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий на отдельные элементы или сооружения в целом. Таким неблагоприятным действием оказались усилия от щитовых домкратов при передвижении щитового комплекса "Lovat", который в лотковой части обделки развивает давление на штоке до 1150 кН (против 700 кН на отечественных щитах).
На первом этапе внедрения облегченной обделки решение задачи осуществлено проверкой прочности ячейки тюбинга между двумя ребрами на воздействие штока домкрата. Такое решение использовалось для обделки, отлитой из рядового серого чугуна марки СЧ 20, так как по условиям заложения тоннеля не требовалось повышения её прочности (изменения марки чугуна), при этом была необходима проверка на монтажные и транспортные нагрузки, в числе которых наибольшие - нагрузки от воздействия щитовых домкратов. Повышение несущей способности такой обделки получено не за счет повышения прочности чугуна, а за счет более рационально запроектированной (на основе исследований) конструкции (рисунок 4.2).
Давление щитовых домкратов (максимальное при гермопроходке) передается на обделку через распределенные подушки размерами 637 х 240 мм. Максимальное усилие на штоке домкрата 1150 кН. Распределительная подушка имеет жесткий стальной корпус, в который входит шаровая опора штока и низкомодульная полиуретановая плита, непосредственно контактирующая с обделкой и обеспечивающая передачу на нее равномерно распределенной нагруз-ки, интенсивность которой составит 115 000/(63,7 20)=90,3 кг/см .
При проектном расположении штока домкрата напротив диафрагмы (или продольных ребер смежных тюбингов), усилие передается на спинку и диа-фрагму. Площадь сечения 63,7 2+5 2,8=141,4 см , напряжения сжатия составят 115000/141,4=813,3 кгс/см2 Rpc =2000 кгс/см2.
При возможном смещении оси домкрата подушка перекрывает ячейку тюбинга, и усилие, передающееся на ячейку размером 37,8 20=756 см , составит 90,3 756=682,67 кН. Периметр ячейки по внутреннему контору 36+2 18=72 см. При толщине ребра 3 см площадь сечения (на срез) 72 3 =216 см2, напряжения среза 68267/216=316 кгс/см2 Rcpp=500 кгс/см2 (СЧ 20).
Перекрывающий ячейку элемент кольцевого ребра тюбинга представляет собой практически прямоугольную плиту - пластину размерами 39x18x3 см жестко защемленную по трем сторонам, работающую на упомянутую выше распределенную нагрузку 90,3 кгс/см (рисунок 4.3). Исходя из этого, далее определяется предельная нагрузка, воспринимаемая ячейкой.
