ТОННЕЛЬ ИЗ СОТОВО-КОРОБЧАТЫХ ШПУНТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
TUNNEL FROM CELLULAR AND BOX-SHAPED TONGUE-AND-GROOVE STRUCTURES

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкции тоннеля, сооружаемого в теле существующих насыпей или под насыпями, и может быть использовано при строительстве тоннелей мелкого заложения различного назначения, в том числе под действующими транспортными магистралями без перерыва движения по ним. Изобретение может быть использовано на слабых грунтах и грунтах, подверженных карстовым явлениям.
Известен тоннель, сооружаемый в теле железнодорожной насыпи и содержащий экран, выполненный из труб, объединенных в секции из двух и более труб. Секции соединены между собой в общую конструкцию при помощи направляющих, предварительно приваренных соприкасающимися поверхностями. Погружение секций экрана из труб в тело насыпи производится методом продавливания с удалением грунта из труб и с последующим бетонированием полостей защитного экрана. Поскольку отдельные полости защитного экрана не соединены между собой, то для придания большей жесткости и увеличения несущей способности экрана перед заполнением бетоном трубы объединяют арматурным каркасом (см. http//anchortech.ru/about/926.html).
В указанной конструкции защитный экран при большой металлоемкости не является несущей конструкцией, после его сооружения необходимо возвести дополнительную несущую конструкцию из бетона, что существенно повышает трудоемкость и стоимость строительства такого тоннеля.
Известен тоннель, включающий обделку, состоящую из лотка, стен и перекрытия, расположенный по периметру поперечного сечения тоннеля защитный экран, выполненный из полых протяженных элементов, в частности из труб, соединенных между собой замковыми соединениями, и расположенную снаружи тоннеля зону упрочненного инъектированием грунта, выполненную в виде образованной из упрочняющего материала или пропитанного им грунта системы усиливающих элементов в виде инъекционных свай или подобных элементов, пересекающих защитный экран и заведенных в обделку тоннеля (RU 2181413, 2002 г.).
Указанная известная конструкция тоннеля также трудоемка в строительстве. В этой конструкции защитный экран также не является несущим, и для обеспечения достаточной прочности и надежности тоннеля, особенно на слабых грунтах, выполняют трудоемкие и дорогостоящие работы по закреплению грунта и дополнительному укреплению конструкции тоннеля после сооружения защитного экрана. Кроме того, защитный экран в указанном известном техническом решении имеет в поперечном сечении сужения в области замковых соединений труб продольных элементов, которые снижают прочность защитного экрана.
Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции тоннеля, не имеющего недостатков известных технических решений, т.е. упрощение конструкции тоннеля и сокращение трудоемкости его сооружения.
Техническим результатом изобретения является повышение собственной несущей способности защитного экрана, прочности и надежности его конструкции, а также обеспечение возможности достижения более точного соответствия сооруженного тоннеля его проектному положению вследствие уменьшения деформации протяженных элементов при продавливании за счет повышения их жесткости, и снижение при этом внутренних напряжений в замковых соединениях.
Поставленная задача решается за счет того, что в тоннеле, предназначенном преимущественно для сооружения в теле насыпи под действующей транспортной магистралью, включающем защитный экран из протяженных элементов, каждый из которых содержит пару элементов замковых соединений, приваренных на обращенных друг к другу поверхностях смежных протяженных элементов, причем протяженные элементы соединены между собой с образованием пространственной конструкции, повторяющей контур тоннеля, согласно предлагаемому изобретению каждый протяженный элемент защитного экрана выполнен по меньшей мере из одной двутавровой балки и снабжен дополнительной парой элементов замковых соединений, при этом элементы замковых соединений выполнены из замковой части стального прокатного шпунта, обеспечивающего возможность взаимного относительного поворота соединенных в замок элементов на заданный ограниченный угол, и приварены по одному к продольным кромкам полок упомянутой двутавровой балки.
Двутавровые балки протяженных элементов могут быть выполнены сварными из стенки и двух полок.
Ширина в поперечном сечении одной из полок сварной двутавровой балки может превышать ширину другой ее полки.
Размеры пары элементов замковых соединений, приваренных к одной из полок упомянутой двутавровой балки, могут быть выполнены превышающими в поперечном сечении размеры пары элементов замковых соединений, приваренных к другой полке двутавровой балки, для обеспечения дугообразной формы поперечного сечения тоннеля.
В тоннеле согласно предлагаемому изобретению по меньшей мере часть протяженных элементов могут быть выполнены в виде шпунтовых панелей из двух и/или трех и более двутавровых балок, приваренных одна к другой полками встык с образованием несущей сотово-коробчатой структуры.
Тоннель может быть дополнительно снабжен по меньшей мере одним компенсирующим элементом, выполненным в виде двутавровой балки с элементами шпунтовых замковых соединений, закрепленными на кромках ее полок при помощи болтового соединения с возможностью разъема и перемещения по прорезям, перпендикулярным продольной оси двутавровой балки, выполненным в полке двутавровой балки или в плоской части элементов замковых соединений.
В стенке каждой упомянутой двутавровой балки могут быть выполнены сквозные отверстия, суммарная площадь которых составляет от 50% до 70% площади стенки.
Все полости защитного экрана могут быть заполнены твердеющим материалом, например бетоном.
По меньшей мере часть протяженных элементов могут быть выполнены по длине составными из отдельных секций, соединенных между собой сваркой встык.
Защитный экран тоннеля согласно предлагаемому изобретению может иметь приблизительно прямоугольное поперечное сечение, при этом стены и перекрытие выполнены из сотово-коробчатых панелей, причем угловые соединения панелей стен и перекрытия могут быть выполнены сварными.
Тоннель дополнительно может быть снабжен перекрытиями в полу, выполненными из упомянутых шпунтовых сотово-коробчатых панелей.
Тоннель может быть снабжен разделительной несущей стеной из шпунтовых сотово-коробчатых панелей, при этом упомянутые панели указанной разделительной несущей стены соединены с панелями плиты пола и перекрытия защитного экрана с помощью сварки.
Благодаря тому что согласно настоящему изобретению каждый протяженный элемент защитного экрана выполнен по меньшей мере из одной двутавровой балки, а элементы замковых соединений расположены на кромках полок, двутавровые балки последовательно соединяются одна с другой с образованием замкнутого коробчатого пространства, имеющего в поперечном сечении постоянный размер по контуру тоннеля, определяемый высотой стенки двутавровой балки, без ослабления сечения в области замковых соединений. Это значительно повышает прочность конструкции защитного экрана.
Благодаря двутавровой форме поперечного сечения облегчается продавливание протяженных элементов защитного экрана в грунт насыпи, так как суммарная площадь поверхности панелей ниже, чем у прототипа, что снижает сопротивление по контакту с грунтом при продавливании.
Выполнение элементов замковых соединений из замковой части стандартного стального прокатного шпунта обеспечивает соединение протяженных элементов с возможностью их взаимного поворота в шпунтовом замке на ограниченный угол, приблизительно плюс-минус 10 градусов.
За счет того, что размеры в поперечном сечении пар элементов замкового соединения, которые приварены к одной из полок двутавровой балки, превышают такие размеры замковых элементов, которые приварены к их противоположным полкам, т.е. выполнены с так называемым «припуском», обеспечена возможность выполнения защитного экрана по дуге, т.е. с арочной или даже круглой формой в поперечном сечении. В контексте данного описания эти размеры - это расстояния от кромок каждой из полок двутавровой балки до оси соответствующего шпунтового замка.
Дугообразная форма защитного экрана может быть получена за счет того, что ширину одной из полок выполняют больше, чем ширина другой ее полки.
В случае выполнения протяженных элементов из шпунтовых панелей, состоящих из двух и/или более двутавровых балок, сваренных между собой кромками полок встык, образующиеся жесткие несущие структуры коробчатой или сотово-коробчатой формы придают большую жесткость возводимому из них защитному экрану. Защитный экран тоннеля по предлагаемому изобретению обладает в силу этого высокой собственной несущей способностью, прочностью и жесткостью, что исключает необходимость проведения мероприятий по укреплению грунта вокруг защитного экрана и созданию дополнительных, часто очень материалоемких несущих конструкций.
Для компенсации погрешностей, которые могут возникнуть при продавливании протяженных элементов защитного экрана, тоннель согласно предлагаемому изобретению снабжен по меньшей мере одной дополнительной двутавровой балкой, у которой элементы замкового соединения прикреплены к кромкам полок с помощью болтов.
Большим преимуществом обладает вариант осуществления предлагаемого изобретения, при котором в стенке каждой двутавровой балки выполнена заводская перфорация, т.е. выполнены сквозные отверстия диаметром приблизительно 200 мм, занимающие до 70% площади стенки.
Благодаря этим большим отверстиям полости сотово-коробчатой структуры сообщаются между собой, способствуя более равномерному заполнению бетоном полостей пространственной сотово-коробчатой шпунтовой конструкции защитного экрана.
После затвердения бетона защитный экран представляет собой равнопрочный самонесущий железобетонный монолит, площадь поперечного сечения которого неизменна по всему периметру стен тоннеля.
Тоннель по настоящему изобретению может иметь различную форму в поперечном сечении, как показано схематически на фиг.4. Для выполнения стен и перекрытия тоннеля прямоугольного поперечного сечения преимущество имеют панели, выполненные из четырех и более двутавровых балок, причем перекрытие установлено с опиранием на соответствующие панели стен и закреплены сваркой.
При значительной ширине тоннеля возможно устройство разделительной несущей стены, выполненной также из одной шпунтовой сотово-коробчатой панели, состоящей из большого числа двутавровых балок или из нескольких панелей, или из отдельных двутавровых балок, снабженных шпунтовыми замками на кромках полок.
При укреплении насыпей автомобильных и железных дорог, проходящих над зоной карстовых образований, шпунтовые панели, объединяемые посредством замковых соединений в единую плиту, перекрывают опасные участки и работают по принципу плиты на упругом основании. При этом конструкция плиты может быть возведена без остановки движения по транспортной магистрали.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - тоннель согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, поперечное сечение арочной формы;
на фиг.2 - узел А поперечного сечения на фиг.1, увеличено;
на фиг.3 - протяженный элемент защитного экрана, выполненный из трех двутавровых балок;
на фиг.4 - схематическое изображение возможных форм поперечного сечения тоннеля;
на фиг.5 - двутавровая балка, в аксонометрии;
на фиг.6 - схематическое изображение расположения плиты основания из шпунтовых сотово-коробчатых панелей, сооружаемого в зоне карстовых образований;
на фиг.7 - сечение Б-Б на фиг.6;
на фиг.8 - двутавровая балка компенсационного элемента с поперечными овальными прорезями;
на фиг.9 - узел болтового крепления элементов замкового соединения к полкам двутавровой балки компенсационного элемента.
Тоннель согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения (фиг.1) включает защитный экран 1, имеющий в целом арочную, округлую форму поперечного сечения и задающий арочную форму поперечному сечению тоннеля, протяженные элементы 2, выполненные из двутавровых балок 3, каждая из которых имеет полки 4 и 5 и стенку 6, закрепленные на кромках В и С полок 4 и 5 элементы замковых соединений 7 и 8 с замками 9. Двутавровые балки 3 могут быть как прокатными, так и сварными.
Размер «а» замкового элемента 7, то есть расстояние от кромки В этой полки 4 до оси шпунтового замка 9 этого замкового элемента 7, превышает размер «б» замкового элемента 8, т.е. он больше, чем расстояние от кромки С полки 5 до оси шпунтового замка 9 элемента 8 (фиг.2).
Возможно выполнение протяженных элементов, каждый из которых выполнен из одной двутавровой балки 3 (фиг.2) или в виде шпунтовой панели 10, выполненной из двух, трех, четырех или более двутавровых балок, сваренных между собой кромками полок встык с образованием сотово-коробчатой конструкции.
На фиг.3 изображен протяженный элемент, выполненный в виде шпунтовой панели 10, состоящей из трех двутавровых балок 3.
Тоннель с прямоугольным поперечным сечением (фиг.4в) имеет стенки 11, верхние перекрытия 12, разделительную стенку 13 и плиту 14 пола (основания).
Для обеспечения комфортного замыкания контура свода и компенсации погрешностей, которые могут возникнуть при продавливании, устанавливают компенсационный элемент 15 (фиг.9), включающий двутавровую балку 16 с вытянутыми овальными прорезями 17, выполненными в полках балки 16 перпендикулярно продольной оси двутавровой балки 16. Замковые элементы 18 прикреплены к полкам балки 16 с помощью болтов, пропущенных через прорези 17. Возможно выполнение вытянутых поперечных овальных прорезей в плоской части замковых элементов 18 (не показано).
Перед началом строительства подготавливают площадку непосредственно перед насыпью в месте предполагаемого сооружения тоннеля. На ней собирают опорный арочный каркас (не показан), предназначенный для поддержки протяженных элементов во время сборки защитного экрана 1 перед его продавливанием.
Протяженные элементы 2, выполненные в виде отдельных двутавровых балок 3 или в виде сварных сотово-коробчатых шпунтовых панелей 10, или тех и других, поднимают лебедками, соединяя их с помощью элементов замковых соединений 7 и 8 замок в замок, на опорном каркасе, имеющем такую форму поперечного сечения, которую должен иметь сооружаемый тоннель, набирают защитный экран 1 вне тела насыпи. Далее устраивают упор (не показан) для гидравлических домкратов, т.е. для гидравлической вдавливающей установки (не показана). После этого производят продавливание протяженных элементов 2, начиная с нижнего. Продавливание выполняют челночным методом, который заключается в том, что все продольные элементы 2 защитного экрана 1 последовательно продавливают сначала на первую длину, например, на ход поршня гидравлического домкрата. После того как все протяженные элементы 2 заглублены на один шаг, производят последовательное продавливание всех протяженных элементов на следующий ход поршня. При этом рабочий орган домкрата переставляют последовательно с одного протяженного элемента на следующий, перемещаясь по контуру защитного экрана 1 сначала, например, по часовой стрелке, а затем против часовой стрелки. Такое челночное перемещение рабочего органа домкрата с постепенным пошаговым продавливанием протяженных элементов 2 осуществляют до полного перемещения всей сотово-коробчатой конструкции защитного экрана 1 в тело насыпи.
В случае протяженного тоннеля производят наращивание по длине по меньшей мере части протяженных элементов 2.
По окончании продавливания и установки защитного экрана в проектное положение механизированным способом вынимают грунт из полости тоннеля и полостей сотово-коробчатой конструкции, при необходимости выполняют бетонирование этих полостей, очищают поверхность металлического свода, выполняют гидроизоляцию, отделочные работы.
Предложенная конструкция тоннеля с защитным экраном, обладающим высокой собственной несущей способностью, является самодостаточной для обеспечения требований безопасности, надежности и долговечности. После продавливания защитного экрана требуется только произвести декоративную отделку и облицовку. Предлагаемая конструкция позволяет существенно сократить трудоемкость строительства за счет исключения каких бы то ни было работ по закреплению грунта, повысить надежность и долговечность тоннеля на различных грунтах, особенно в зонах карстовых образований.