ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЯ
ГОРНЫМ СПОСОБОМ.
Выполнил студент Хачатурян А.А.
Группа МТ-102
Руководитель: Иванес Т.В.
Санкт-Петербург
Содержание. Стр.
| Введение.................................................................................................................................................3 |
| Часть I. Элементы тоннеля.............................................................................................................4-15 |
| 1.1. Исходные данные к проекту...............................................................................................4 |
| 1.2. Трассирование линии. Обоснование продольного профиля...........................................5 |
| 1.3.Определение длины тоннеля............................................................................................5-6 |
| 1.4. Расчет искусственной вентиляция тоннеля...................................................................6-7 |
| 1.5.Обоснование конструктивного решения порталов............................................................8 |
| 1.6.Проектирование тоннельных конструкций. |
| Выбор и технико-экономическое обоснование конструктивных решений обделок................................................................................................................8-9 |
| 1.7. Дополнительные устройства в тоннеле.............................................................................9 |
| 1.8.Определение несущей способности обделки на участке |
| с крепостью грунта f=4....................................................................................................9-15 |
| Часть II. Производство работ по сооружению тоннеля.............................................................16-22 |
| 2.1. Выбор способа производства работ............................................................................16-17 |
| 2.2.Буровзрывные работы...................................................................................................17-19 |
| 2.2.1. Определение параметров буровзрывных работ............................................17-18 |
| 2.2.2. Буровое оборудование.....................................................................................18-19 |
| 2.3. Временное крепление выработки.....................................................................................19 |
| 2.4. Погрузка и транспорт породы...........................................................................................19 |
| 2.5. Организация работ в забое, определение параметров |
| проходческого цикла....................................................................................................19-20 |
| 2.6. Расчёт объёма работ, определение стоимости тоннеля............................................20-21 |
| 2.7. Мероприятия по охране труда и технике безопасности...........................................21-22 |
| Список используемой литературы....................................................................................................23 |
Введение.
Тоннели в течение всего срока службы (по ГОСТ 27.002) должны удовлетворять требованиям бесперебойности и безопасности движения транспортных средств, экономичности и наименьшей трудоемкости содержания строительных конструкций и постоянных устройств, обеспечения здоровья и безопасных условий труда обслуживающего персонала, а также требованиям охраны окружающей среды.
Железнодорожные тоннели следует отнести к I повышенному уровню ответственности сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям.
Сооружение тоннелей осуществляется по утвержденным проектам организации строительства и производства работ, разработанным в соответствии с требованиями СНиП 3.01.01. Проекты предусматривают механизацию основных наиболее трудоемких строительно-монтажных работ и содержат планы ликвидации возможных аварий.
Часть I. Элементы тоннеля.
1.1. Исходные данные к проекту.
В данной курсовой работе разрабатывается проект однопутного железнодорожного тоннеля, сооружаемого горным способом. В состав проекта входит разработка тоннельных конструкций и способов производства работ. Поведенные в работе расчеты выполнены в соответствии с указаниями СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные».
Основные физико-механические свойства грунтов, составляющих горный массив, приведены в таблице.
| Наименование пород и грунтов | Коэффициент крепости, f | Объемная масса, т/м3 | Кажущийся угол внутреннего трения | Коэффициент удельного отпора, Ко, кг/см3 |
| Песчанистый сланец раздробленый | 1,5 | 2,8 | ||
| Песчаник трещиноватый | 2,5 | |||
| Песчаник сильно трещиноватый | 2,4 |
Тоннель железнодорожный однопутный;
Радиус кривой –1000 м;
Руководящий уклон – 10‰.
1.2. Трассирование линии. Обоснование продольного профиля.
Применение тоннелей на высокогорных участках железнодорожных и автодорожных линий расширяет возможности их трассирования и улучшает условия эксплуатации. План и профиль пути в тоннеле проектируют по нормам, установленным для открытых участков трассы с учетом особенностей, связанных с расположением линий в подземной выработке.
Рекомендуется располагать тоннели на прямых участках пути, так как тоннели, расположенные на кривых, имеют существенные недостатки. К ним относятся: необходимые уширения габаритов приближения строений на кривых, вызывающих увеличение размеров выработки и объема работ по сооружению тоннельной обделки; усложнение подземной разбивки оси тоннеля, увеличение износа рельсов (особенно на кривых малых радиусов), находящихся во влажном воздухе тоннеля в неблагоприятных условиях; ухудшение условий вентиляции. Однако в ряде случаев расположение тоннелей на кривых является неизбежным.
Для сокращения длины тоннеля, уклоны на подходах к нему принимаются максимально допустимые. Внутри горного массива уклоны применяются минимальными с целью улучшения условий эксплуатации. По условию отвода воды из тоннеля imin =3 ‰.
Максимальный уклон в железнодорожном тоннеле назначается смягченным по сравнению с максимальным уклоном открытой трассы. Это связано с уменьшением сцепления подвижного состава с рельсом из-за повышенной влажности в тоннеле и большого сопротивления воздуха подвижному составу.
Коэффициент смягчения уклона m зависит от длины тоннеля. При длине тоннеля от 1 до 3 километров коэффициент смягчения m =0,85.
Уклон в тоннеле определяется как:
iт = m · iр – iэкв
где iр - руководящий уклон;
iэкв - уклон, эквивалентный сопротивлению движения на кривой; в курсовом
проекте iэкв =1‰.
В нашем случае:
• Уклон на подходах к тоннелю
iт = т· iр – iэк = 0,85·10-1=7,5 ‰. Принимаем смягчённый уклон на подходе к тоннелю iт= 8,5 ‰;
• Уклоны в тоннеле принимаем равными 3 ‰ и 6‰(смягчение на кривойнетребуется).
1.3.Определение длины тоннеля.
Окончательная длина тоннеля определяется из места нахождения порталов. Она определяется исходя из равенства стоимости 1п.м. выемки 1 п.м. тоннеля.
Опыт проектирования и эксплуатации тоннеля показывает, что максимальная глубина выемки, которая принимается в грунтах с коэффициентом крепости f =0,5-3 составляет Hmax =10-15 метров, а в грунтах с коэффициентом крепости f >3 составляет Hmax =15-25 метров.
С учётом всех этих требований западный портал тоннеля устраиваем на пикете ПК3803+00,00, а восточный портал – на пикете ПК3817+20,00. Полная длина тоннеля составляет Lт =1420,00метров.
1.4. Расчет искусственной вентиляция тоннеля.
Целью проектирования вентиляции тоннелей является разработка мероприятий, обеспечивающих подачу в тоннель чистого воздуха в таком количестве, при котором вредные газовые примеси разбавляются до безопасных предельно допустимых концентраций(ПДК).
Система вентиляции тоннеля зависит от длины тоннеля, площади поперечного сечения, величины уклонов и радиусов кривых, вида транспорта и других условий. В процессе эксплуатации тоннеля, в воздух транспортной зоны попадают различные вредные вещества. Это выхлопные газы, газы, выделяемые окружающими породами. Кроме того, качество воздуха ухудшается также за счет повышения температуры, влажности и других факторов.
Расчет воздухообмена по содержанию вредных веществ в воздухе транспортной зоны тоннеля производится по окиси углерода (СО).
Проверка продольной системы вентиляции.
1. При движении в одном направлении.
1. Скорость движения на подъеме
2. Скорость движения на спуске
3. Время нахождения в тоннеле
4. Количество сгораемого топлива
5. Количество выделяемого газа
6. Моменту выхода локомотива из тоннеля соответствует следующая концентрация
7. Количество воздуха, необходимое для разбавления СО до ПДЗ
, где
V - Объем воздуха в тоннеле
t - расчетное время, за которое необходимо разбавить (t=15мин=900с)
8. Скорость воздуха в тоннеле
2. При движении в противоположенном направлении.
1. Скорость движения на подъеме
2. Скорость движения на спуске
3. Время нахождения в тоннеле
4. Количество сгораемого топлива
5. Количество выделяемого газа
6. Моменту выхода локомотива из тоннеля соответствует следующая концентрация
7. Количество воздуха, необходимое для разбавления СО до ПДЗ
, где
V - Объем воздуха в тоннеле
t - расчетное время, за которое необходимо разбавить (t=15мин=900с)
8. Скорость воздуха в тоннеле
Следовательно, допустима продольная система вентиляции, при которой воздуховодом служит тоннель, вдоль которого перемещается воздух.
Эффективность продольной вентиляции в значительной степени зависит от направления и силы естественной тяги, а также от поршневого эффекта подвижного состава. Для приспособления к этим факторам обычно применяют вентиляционные установки реверсивного типа, позволяющие изменять направление подачи воздуха в соответствии с конкретной обстановкой в тоннеле.
Для усиления эффективности искусственной вентиляции наиболее целесообразна подача воздуха в тоннель в направлении движения подвижного состава с использованием его поршневого эффекта. Однако в однопутных железнодорожных тоннелях с тепловозной тягой рекомендуется подавать воздух навстречу поезду, в особенности при его движении на крутой подъем.
1.5.Обоснование конструктивного решения порталов.
Переход от тоннеля к 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 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 0,5 м выше канавки.
Конструкция портала показана на первом листе чертежей.
1.6.Проектирование тоннельных конструкций.
Выбор и технико-экономическое обоснование конструктивных решений обделок.
Конструкции тоннельных обделок должны удовлетворять следующим требованиям: эксплуатационным, технологическим, экономическим. Для выполнения этих условий обделки проектируются следующим образом.
В слабых породах, в которых может появиться всестороннее горное давление, очертание конструкций должно приближаться к круговому. В породах, где появляется вертикальное и горизонтальное давление, свод и стены выполняются выпуклыми в сторону действия давления. В породах с вертикальным горным давлением, ось свода обделки выполняется криволинейной, а ось стены вертикальными. В слабых грунтах отступление от углов габарита может достигать 100-200 мм в связи с возможными осадками конструкции и особенностями технологии сооружения.
В устойчивых крепких грунтах отступление 5-10 мм, в слабых – 15-20 мм. Для всех случаев обделок материал - монолитный бетон В25.
На железных дорогах принят габарит "С": высота Н= 6250 мм, ширина В = 2450 мм. На кривых габарит необходимо увеличивать, т.к. при движении по ним происходит вынос концов и середины вагона и наклон егоиз-за возвышения наружного рельса.
Для прочности породы f=1,5 принимается подковообразное очертание обделки с обратным сводом. hсв=550 мм,L=485м.
Для прочности породы f=4 принимается так же подковообразное очертание обделки без обратного свода, но с более тонкими стенками.hсв=400мм L=510м.
Для прочности породы f=8 принимается обделка с вертикальными стенами и круговым очертанием свода,опирающегося на уступы грунта h=300мм L=335м. Все типы обделок представлены на первом листе чертежей.
1.7. Дополнительные устройства в тоннеле.
В целях безопасности обслуживающего персонала в железнодорожном тоннеле предусматриваются ниши 200x200x100 см, располагающихся в шахматном порядке через 60 м. Для хранения ремонтного оборудования через каждые 300 м по обоим сторонам железнодорожного тоннеля вместо ниш сооружаются камеры 250х200х200.
1.8.Определение несущей способности обделки
на участке с крепостью грунта f=4.
Исходные данные:
На участке с крепостью f=4 обделка подковообразного очертания без обратного свода.
Основные геометрические размеры: высота H=7,92 м, толщина свода меняется от 0,400 до 0,560 м, ширина B=6,62 м.
Марка бетона 300(класс В25), расчетное сопротивление: на растяжение –10 кгс/см2, на сжатие – 135 кгс/см2.
Основные физико-механические характеристики горной породы: коэффициент прочности f=4, кажущийся угол внутреннего трения φ=70º, коэффициент упругого отпора к0 =200 кгс/см 2, объемная масса грунта γ=2,8 т/м3.
Определение нормативных и расчетных нагрузок.
Величину горного давления в зависимости от степени трещиноватости массива и коэффициента крепости рекомендуется принимать от массы грунта в объеме свода обрушения в соответствии с гипотезой М.М. Протодьяконова (см. рис. 1);
Рис. 1. Схема нормативных и расчетных нагрузок.
где В – пролет выработки;
h - высота выработки;
L - пролет свода естественного равновесия;
h1 - высота свода;
H - глубина залегания выработки;
qн - нормативное вертикальное горное давление;
Pн - нормативное горизонтальное горное давление.
Тогда справедливы следующие формулы:
Собственный вес обделки определится по формуле:
где G -вес сводчатой части обделки; 
Определим расчётные нагрузки посредством умножения нормативных на коэффициенты перегрузки:
Коэффициент упругого отпора в сводчатой части выработки:
;
Коэффициент упругого отпора под пятой:
;
ко =200 – коэффициент удельного отпора.
Статический расчет обделки.
Статический расчет обделки выполняется на ЭВМ по методу Метрогипротранса
(программа ПК-6). Этот метод предназначен для расчета конструкции произвольного очертания, расчетную схему которой можно представить в виде плоской стержневой системы.
В основу расчетной схемы положены следующие допущения:
А). Плавное очертание оси обделки заменяются вписанным стержневым многоугольником переменной жесткости.
Б). Распределенные внешние нагрузки заменяются сосредоточенными в узлах многоугольника усилиями.
В). Сплошная грунтовая среда заменяется отдельными упругими опорами, расположенными в вершинах многоугольника, перпендикулярно наружной поверхности обделки.
Г). Силы трения, возникающие в пятах разомкнутой обделки, в расчетной схеме заменяются запретом перемещения узлов пяты по горизонтали.
Рис. 2. Схема к статическому расчету обделки на ЭВМ.
РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ТИПА Лист 1
КОНСТРУКЦИЯ СИММЕТРИЧНА 15 узлов, 14 стержней
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Вариант 1
ОПИСАНИЕ УЗЛОВ В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТАХ Таблица 1
--------------------------------------------------------------------------
::: Координаты, м: Сосредоточенные нагрузки:Запр.перем.:
: N:Расч:--------------------------------------------------------------:
:Узла: N: Х: У: Р верт: Р гориз: Момент:по-: Х: У:
::::: т: т: тм:вор:::
--------------------------------------------------------------------------
: 1: 0:.000: 7.383:.000:.000:.000::::
: 2: 0:.722: 7.293:.000:.000:.000::::
: 3: 0: 1.463: 7.018:.000:.000:.000::::
: 4: 0: 2.111: 6.582:.000:.000:.000::::
: 5: 0: 2.587: 6.032:.000:.000:.000::::
: 6: 0: 2.930: 5.281:.000:.000:.000::::
: 7: 0: 3.030: 4.433:.000:.000:.000::::
: 8: 0: 3.030: 3.576:.000:.000:.000::::
: 9: 0: 3.030: 2.822:.000:.000:.000::::
: 10: 0: 3.030: 1.992:.000:.000:.000::::
: 11: 0: 3.030: 1.205:.000:.000:.000::::
: 12: 0: 3.030:.444:.000:.000:.000::::
: 13: 0: 3.030:.000:.000:.000:.000::::
: 14: 0: 3.310:.000:.000:.000:.000::::
: 15: 0: 2.450:.000:.000:.000:.000:: *::
--------------------------------------------------------------------------
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Вариант 1
ОПИСАНИЕ СТЕРЖНЕЙ Таблица 2
---------------------------------------------------------------------------
:Номера:Распределен. нагрузки: Коэффиц.:Шар:Площадь: Момент: Модуль:
:узлов:---------------------: упругого:нир:сечения: инерции:упругости:
:-------: Q верт: Q гориз: отпора:---:: сечения:конструкц.:
:Нач:Кон: т/м2: т/м2: К,т/м3:Н:К: F,м2: J,м4: Е,т/м2:
---------------------------------------------------------------------------
: 1: 2: 5.880:.122: 60423:::.400:.0053300: 3060000:
: 2: 3: 5.880:.122: 60423:::.406:.0055800: 3060000:
: 3: 4: 5.880:.122: 60423:::.487:.0096300: 3060000:
: 4: 5: 5.880:.122: 60423:::.558:.0144400: 3060000:
: 5: 6: 5.880:.122: 60423:::.600:.0179900: 3060000:
: 6: 7: 5.880:.122: 60423:::.569:.0153500: 3600000:
: 7: 8:.000:.122: 60423:::.560:.0146000: 3060000:
: 8: 9:.000:.122: 60423:::.560:.0146000: 3060000:
: 9:10:.000:.122: 60423:::.560:.0146000: 3060000:
:10:11:.000:.122: 60423:::.560:.0146000: 3060000:
:11:12:.000:.122: 60423:::.560:.0146000: 3060000:
:12:13:.000:.122: 60423:::.560:.0146000: 3060000:
:13:14:.000:.000: 247930:::.250:.0013020: 3060000:
:14:15:.000:.000: 247930:::.250:.0013020: 3060000:
---------------------------------------------------------------------------
^L
РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТА
==========================================
:: Перемещения в системе Х У:
: Номера:--------------------------------:
: узлов: Угол: Горизонт.: Вертик.:
:: поворота: смещение: смещение:
:: (рад): (м): (м):
==========================================
: 1.00000.00000.00051:
: 2 -.00011.00000.00047:
: 3 -.00015 -.00003.00037:
: 4 -.00011 -.00008.00027:
: 5 -.00004 -.00012.00023:
: 6.00002 -.00012.00022:
: 7.00006 -.00008.00022:
: 8.00006 -.00003.00021:
: 9.00005.00002.00020:
: 10.00002.00005.00019:
: 11 -.00001.00005.00019:
: 12 -.00005.00003.00018:
: 13 -.00007.00000.00017:
: 14 -.00006.00000.00014:
: 15.00023.00000.00003:
------------------------------------------
РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТА
=============================================================================
:: Зона:::::
:: взаимо-: Момент:Нормальная:Поперечная: Эксцентриситет:
: НН-:действия: (тм)::: (м):
::с грунтом:: сила: сила::
: -НК:---------:-------------------:::----------------:
::Нач.: Кон:В начале: В конце:в элементе:от момента:В начале:В конце:
::стер:стер: стержня: стержня: (т): (т):стержня:стержня:
=============================================================================
: 1- 2 2.764 -2.048 -9.266 -.984 -.2983 -.2210:
: 2- 3 2.048.223 -10.721 -2.873 -.1911.0208:
: 3- 4 -.223 3.104 -13.339 -3.689.0167.2327:
: 4- 5 -3.104 4.758 -16.299 -2.273.1905.2919:
: 5- 6 ** ** -4.758 3.920 -18.438 1.014.2580.2126:
: 6- 7 ** ** -3.920.968 -18.667 3.457.2100.0519:
: 7- 8 ** ** -.968 -.732 -18.594 1.983.0521 -.0393:
: 8- 9 **.732 -1.227 -18.594.657 -.0393 -.0660:
: 9-10 1.227 -1.692 -18.594.560 -.0660 -.0910:
:10-11 1.692 -2.056 -18.594.462 -.0910 -.1105:
:11-12 2.056 -2.335 -18.594.367 -.1105 -.1256:
:12-13 ** 2.335 -2.466 -18.594.294 -.1256 -.1326:
:13-14 2.466 2.741 -.262 -18.594 -9.4280 10.4804:
:14-15 ** ** -2.741.000.262 3.187 -10.4804.0000:
Проверка прочности обделки.
После определения внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) проверяют прочность бетонных сечений. Для этого вычисляют величину предельной нормальной силы NП, которую может воспринять данное сечение, и сравнивают её с величиной нормативной силы N, полученной при статическом расчете для этого же сечения. При этом должно соблюдаться условие NП > N.
Проверку прочности тоннельной обделки проводим для наиболее загруженных сечений 1 и 5.
Для сечения 1. Проверяем эксцентриситет:
е0=0,2983 м = 29,83 см ≤ 0,9*у=0,9*0,2=0,18 м 18 см;
где y – расстояние от центра тяжести сечения до наиболее сжатого слоя бетона обделки.
Условие не выполняется, в этом случае работа сечения обделки приближается к работе изгибаемых элементов.
В этом случае проверка прочности сечения производится по формуле:
;
где m - коэффициент условия работы (m=0,9);
k - коэффициент, учитывающий вид бетона (k=1);
Rр - расчетное сопротивление бетона растяжению (Rр=10кгс/см2 ).
b - ширина сечения (b=100 см);
h - высота сечения (см).
Производим проверку: M =2,764 тс*м ≤ Мп =4,11 тс*м. Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.
Для сечения 5. Проверяем эксцентриситет:
е0=0,2919 м = 29,19 см ≤ 0,9*у =0,9* 0,279=0,25 м = 25,11 см;
Условие не выполняется, в этом случае работа сечения обделки приближается к работе изгибаемых элементов.
В этом случае проверка прочности сечения производится по формуле:
;
Производим проверку: M =4,758 тс*м ≤ Мп =8,00 тс*м. Проверка выполняется, прочность обделки обеспечена.В дальнейшем увеличении толщины обделки нет необходимости, так как при принятых толщинах свода и стен прочность обделки обеспечена.