Страница 5 из 5
Содержание лекции:
Основные принципы проектирования
- План тоннелей
- Профиль тоннелей
- Стадии проектирования тоннелей
- Вариантное проектирование
- Понятия о методах проектирования
Макетно–модельный метод проектирования. До недавнего времени основным средством изображения проектируемых сооружений, их элементов, предметов оборудования и различных устройств был графический метод. Однако этому методу проектирования присущ ряд органических взаимосвязанных недостатков. Единая проектная картина оказывается разобщенной на большое количество отдельных чертежей, отражающих частные проектные решения по сооружению. Это приводит к большим затратам времени и средств на изготовление проектной документации и потерям времени при изучении ее проектировщиками–смежниками, заказчиком, строителями, монтажниками и др. Раздельное изображение предметов в пространстве – фасады, штаны боковые виды, разрезы, узлы, детали чтение чертежа.
Проектирование с применением макетов позволяет получить пространственные изображения проектных решений в виде объемных макетов, собираемых в процессе разработки проекта из моделей и мо дельных элементов. Использование макетно–модельного метода может быть целесообразно на обеих стадиях проектирования (технический проект и рабочие чертежи). Не исключается также возможность одностадийного проектирования (техно–рабочий проект) тех относительно сложных тоннельных объектов, для которых без макета потребовались бы две стадии.
Проектный макет представляет масштабную условную «картину», пространственно изображающую конструктивную, строительную, технологическую, сантехническую и прочие части проектируемого тоннельного сооружения в их взаимной увязке.
Отличаясь большой наглядностью, макет сооружения делает доступным быстрому обзору и пониманию обширный проектный материал. Поэтому на нем удобно выбирать, например, оптимальные компоновочные варианты. В результате значительно сокращаются большие объемы графических документов. Работа на макете обеспечивает, кроме того, гораздо большую свободу и маневренность при выборе решения. Специалисты разных профилей, работая вместе на одном макете, получают условия для того, чтобы без промедления разрешать многие узкоспециальные проблемы. В итоге сокращается до минимума число ошибок в проектной документации, что особенно важно на стадии рабочего проекта или при одностадийном проектировании.
Моделью называется деталь макета – объемное, масштабное, схематизированное, условное изображение натурного предмета, являющегося самостоятельным элементом по одной из частей проекта.
Модельным элементом является часть сборной модели или отдельная конструктивная деталь, служащая для сборки, взаимосоединения и крепления моделей в макете, но не изображающая натурного предмета или его части.
В целом макетно–модельный метод проектирования можно характеризовать как «Комплекс приемов, способов, форм и организации труда, в совокупности с материальными средствами обеспечивающий создание проекта сооружения сначала в виде масштабного макета, как основной проектной документации, потом чертежей, пол ученных с него».
Получение с макета плоской (бумажной) проектной документации осуществляется как графическим, так и фотографическим путем, а также смешанным способом. К последнему относится изготовление фоточертежей, т.е. фотографий с макета, графически дорабатываемых проектировщиками карандашом пли тушью. Иногда, на рабочей стадии, может быть целесообразным дублирование проектного макета с отсылкой дубля непосредственно на строительство. В таком случае преимущества макетно–модельного метода используются не только проектировщиками, но и строителями.
Первоначально макетно–модельный метод был создан и развивался в целях проектирования промышленных зданий и сооружений, имеющих насыщенную систему инженерных коммуникаций и средств непрерывного транспорта, а также большое количество сложного оборудования, связанного между собой единым технологическим процессом и расположенного на разных высотных отметках. Однако достоинства метода обусловливают целесообразность распространения его также на тоннельные сооружения, которые проще, чем промышленные по своей технологической схеме, но часто превосходят их по конструктивной и строительной сложности.
Весьма перспективным надо считать также применение макетно–модельного метода к проектированию строительных площадок тоннельных объектов, механизированных наземных и подземных комплексов и вообще проектов организации работ (ПОР) по строительству тоннельных сооружений. В то же время использование для разработки ПОР макета и упрощенных чертежей, представляющих в миниатюре готовый тоннель или группу подземных сооружений, обеспечивая наглядность, дает возможность разрабатывать проекты производства работ на высоком на научно–техническом уровне и способствует повышению эффективности применения системы сетевого планирования и управления (СПУ).
Экономия на строительно–монтажных работах, получаемая в результате реализации преимуществ нового метода проектирования вполне окупает дополнительные издержки, связанные с затратами на изготовление макета в стадии проектирования.
Моделирование статической работы тоннельных конструкций. Проходка каждой подземной выработки с возведением тоннельного сооружения коренным образом меняет картину распределения напряжений в массиве вмещающих ее горных пород. Как результат этого возникают так называемое горное давление и смещения в породе. Если не принять необходимых предупредительных мер, они могут повлечь за собой деформацию подземных конструкций, чрезмерное развитие горного давления, осадки поверхности земли и другие вредные последствия. Проектировщики тоннеля должны предвидеть характер таких явлений и заранее оценить их количественно. Тогда они могут смелее отказываться от проектирования «по аналогии» с уже осуществленными сооружениями и искать лучшие решения. Разработка же новых высокоэффективных подземных конструкций и оптимальных приемов их возведения, повышение на этой основе производительности труда и снижение стоимости подземного строительства – это и есть основное направление технического прогресса в тоннеле и метростроении.
Обычные для многих наземных сооружений расчетные приемы прогнозирования их поведения под нагрузкой – статической работы, не всегда могут обеспечить получение удовлетворительных результатов при проектировании тоннелей. Здесь сказывается прежде всего многообразие факторов, определяющих напряженное состояние подземного сооружения и, в свою очередь, зависящих от особенностей его конструкций и приемов производства работ.
Тем большее значение дл я проектирования тоннелей приобретают экспериментальные методы исследования сооружений. Они могут быть натурными, с проведением экспериментов непосредственно в производственных условиях, и лабораторный, при которых опыты ставятся на моделях тоннельных сооружений, выполненных в геометрическом (линейном) масштабе от 1:10 до 1:100.
Условия лаборатории позволяют выделить для изучения на модели наиболее характерные факторы, притом в любых сочетаниях как качественных, так и количественных. В этом заключается одно из существенных преимуществ моделирования перед натурными исследованиями. Последние дают часто лишь суммарные результаты и не могут выявить роль отдельных действующих факторов. Другие достоинства моделирования связаны с уменьшением всех масштабов исследования, в том числе времени.
Проектировщики тоннелей для решения своих задач применяют теперь несколько принципиально различных методов моделирования. Наиболее перспективным из них надо считать так называемый метод эквивалентных материалов. Сущность его заключается в том, что для соблюдения требований теоремы о динамическом подобии (сформулирована академиком М. В. Кирпичевым в 1930 г.) всю модель выполняют из специальных искусственно составленных материалов. В условиях опыта на малой модели они должны «вести себя» эквивалентно натурным горным породам и материалам тоннельных конструкций. Для обеспечения этого определенные физико–механические свойства используемых эквивалентных материалов изменяются по сравнению с натурой в зависимости от размерности соответствующих числовых характеристик и принятого линейного масштаба.
Этот метод моделирования выгодно отличается от оптико–поляризационного, центробежного и других методов тем, что позволяет довольно точно воспроизвести на модели не только особенности проектируемой конструкции, но и характерные фазы производства работ по ее будущему осуществлению. Практически это означает возможность. выяснить с его помощью, как будет зависеть состояние подземных конструкций и окружающей среды от технологических особенностей строительства
Моделированием тоннелей по методу эквивалентных материалов может решаться плоская или пространственная задача. В настоящее время чаще рассматривается плоская задача, при которой все процессы работы с моделью, наблюдения за нею и измерение многочисленных постоянно меняющихся во времени параметров оказываются значительно менее сложными чем для пространственной задачи.
Материальной основой рассматриваемого метода моделирования является испытательный стенд. Он представляет собой металлическую конструкцию в виде ящика с передней стенкой из специального высокопрочного стекла. Задняя стенка ящика имеет вырезы по форме поперечного сечения моделируемых тоннелей, закрываемые соответствующими крышками.
В стенд закладываются по специальной технологии эквивалентные моделирующие породный массив, в котором располагается рассматриваемый тоннель. После необходимой стабилизации «породы» «проходятся выработки» и «возводятся тоннельные конструкции», выполненные также с соблюдением подобия как по размерам элементов, так и по свойствам материала. Во время всех рабочих процессов и в период выстойки модели непрерывно производятся наблюдения за ее поведением и снимаются числовые показания разнообразных измерительных приборов. На заключительном этапе исследования модель может быть доведена до разрушения. Это достигается увеличением действующих нагрузок сверх реально возможных или соответствующим искусственным изменением статической схемы сооружения. В результате получаются данные, объективно характеризующие запасы несущей способности проектируемого сооружения.
В процессе исследования модели производятся измерения величин, характеризующих ее напряженно–деформированное состояние. Для этого служат специальные электродатчики, закладываемые в «породу» и укрепляемые на конструктивных элементах модели. Находит применение также метод фотографической фиксации положения относительно координатных осей специальных марочек, размещенных по разным горизонталям «породы» и в характерных точках «тоннельной конструкции». Кроме того, используются индикаторы часового типа (мессуры) и другие виды измерительных приборов, часть которых может носить специальный характер. Моделировать горные работы, заменяя в модели натурные породы и материалы для укрепления выработок искусственными «эквивалентными материалами» предложил в 1936 г. советский ученый доктор техн. наук Г. Н. Кузнецов. В 1955 г. проф. Ю. А. Лиманов, исследуя закономерности осадок поверхности земли при строительстве тоннелей метрополитенов, впервые применил метод эквивалентных материалов к решению задач проектирования и строительства тоннельных сооружений.