Введение к работе
Актуальность темы.
Метрополитен Санкт-Петербурга включает четыре линии общей протяженностью 110 км с 59 станциями, 53 из которых - станции глубокого заложения с 57 эскалаторными тоннелями. В марте 2003 года в Министерстве транспорта Российской Федерации согласована «Программа развития метрополитена и других видов внеуличного транспорта Санкт-Петербурга до 2015 года». В соответствии с этой программой планируется ввести в эксплуатацию новые участки на существующих линиях метрополитена общей протяженностью около 40 км. Эти участки будут включать 20 станций глубокого заложения и такое же количество эскалаторных тоннелей. Перспективными объектами строительства на действующих линиях являются эскалаторные тоннели на станциях «Спортивная», «Балтийская» и незавершенной станции «Адмиралтейская», через которую в течение семи лет осуществляется транзитный пропуск поездов.
В Санкт-Петербурге станции метрополитена на линиях глубокого заложения расположены в толще водонепроницаемых протерозойских глин. Станционные платформы соединяются с поверхностью эскалаторными тоннелями, которые пересекают толщи водонасыщенных четвертичных отложений. Это обусловливает при их сооружении применение предварительного искусственного замораживания грунтов. В таких условиях строительства обделка эскалаторных тоннелей выполняется сборной из чугунных тюбингов, при этом на сооружение одного эскалаторного тоннеля диаметром 9,5м длиной 100 м требуется 2500 тонн чугуна. При средней стоимости тонны чугуна 25 тыс. руб. стоимость обделки одного эскалаторного тоннеля превышает 63 миллиона рублей.
В условиях постоянно растущего дефицита и стоимости чугунного литья актуальность замены чугунных обделок эскалаторных тоннелей на
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
1 БИБЛИОТЕК\
С-Петербург
С... ис
обделки из более дешевого и доступного материала становится очевидной. Так, стоимость одного кубометра сборного железобетона в три раза ниже стоимости одной тонны чугунных тюбингов. Еще больший экономический эффект может быть достигнут при использовании монолитного железобетона.
Однако специфика технологии сооружения эскалаторных тоннелей в водонасыщенных грунтах с предварительным их замораживанием приводит к значительным деформациям обделки в процессе уплотнения грунтового массива при оттаивании. Отсюда следует, что положительное решение вопроса о замене податливой сборной чугунной обделки на жесткую обделку из монолитного железобетона не может быть принято без глубокого научного анализа напряженно-деформированного состояния жесткой конструкции, работающей в условиях переменных по длине нагрузок и неравномерных осадок основания. Все вышеизложенное определило направленность и содержание проведенных автором исследований, представленных в диссертации.
Цель и задачи исследований
Целью исследований является разработка и научное обоснование конструктивно-технологических решений обделок эскалаторных тоннелей из монолитного железобетона при проходке с предварительным замораживанием водонасыщенных четвертичных отложений.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
выполнен анализ опыта проектирования и строительства эскалаторных тоннелей с оценкой научно-технического уровня принимаемых решений;
разработана методика экспериментально-теоретических исследований обделки эскалаторного тоннеля из монолитного железобетона с
учетом влияния на ее статическую работу уплотнения грунтового массива в процессе оттаивания;
методом физического моделирования на моделях из эквивалентных материалов установлен характер и определены величины смещений и деформаций монолитной железобетонной обделки, вызванных уплотнением грунта при оттаивании грунтового массива;
методом математического моделирования в объемной постановке задачи исследовано напряженное состояние обделки эскалаторного тоннеля, смещения и деформации которой были заданы с максимальным приближением к величинам, полученным по результатам экспериментальных исследований на моделях из эквивалентных материалов;
выявлена степень влияния продольных деформаций жесткой обделки из монолитного железобетона на величины напряжений в ее поперечных сечениях;
даны рекомендации по расчету обделки эскалаторного тоннеля из монолитного железобетона, позволяющие учесть ее пространственную работу в условиях неравномерных осадок, вызванных уплотнением грунтового массива при его оттаивании;
разработаны конструктивно-технологические решения и выполнено технико-экономическое обоснование строительства эскалаторных тоннелей с обделкой из монолитного железобетона в условиях Санкт-Петербурга.
Методы исследований - предусматривают комплексный подход, включающий научный анализ и обобщение материалов, опубликованных в технической литературе и освещающих опыт проектирования и строительства эскалаторных тоннелей; лабораторные исследования деформированного состояния железобетонной обделки эскалаторного тоннеля на моделях из
эквивалентных материалов; математическое моделирование напряженного
состояния монолитной железобетонной обделки в объемной постановке задачи методом конечных элементов.
На защиту выносятся:
выявленная по результатам проведенного анализа совокупность факторов, определяющих особенности напряженно-деформированного состояния обделок эскалаторных тоннелей Петербургского метрополитена;
установленные по результатам физического моделирования качественные и количественные показатели, характеризующие деформированное состояние обделки эскалаторного тоннеля из монолитного железобетона в условиях переменной нагрузки и неравномерных осадок окружающего фунтового массива;
установленная по результатам математического моделирования степень влияния продольных деформаций жесткой железобетонной обделки на величину напряжений в ее кольцевых сечениях;
рекомендации по расчету железобетонной обделки эскалаторного тоннеля с учетом ее продольных деформаций, вследствие уплотнения грунтового массива при оттаивании;
конструктивно-технологические решения эскалаторных тоннелей с обделкой из монолитного железобетона, разработанные автором для сооружения в условиях Санкт-Петербурга.
Научная новизна
Совокупность приведенных в диссертационной работе научных результатов можно классифицировать как обоснование новых конструктивных и технологических решений в практике строительства эскалаторных тоннелей в условиях С.-Петербурга, способствующих снижению финансовых затрат и сокращению сроков ввода объектов в эксплуатацию.
Основные научные положения содержат:
методику экспериментального исследования статической работы обделки эскалаторного тоннеля в условиях уплотнения замороженного грунтового массива при его оттаивании, включающую два взаимосвязных метода моделирования: физическое и математическое;
экспериментально установленные характер и величины смещений и деформаций монолитной железобетонной обделки, вызванные уплотнением грунтов при их оттаивании;
- выявленную по результатам экспериментально-теоретических ис
следований степень влияния продольных деформаций жесткой железобе
тонной обделки на величину напряжений в ее кольцевых сечениях
- рекомендации по расчету железобетонной обделки эскалаторного
тоннеля с учетом ее пространственной работы в условиях неравномерных
осадок, вызванных уплотнением грунтового массива при оттаивании.
Достоверность результатов, научных положений, выводов и рекомендаций обосновывается комплексным подходом к решению задачи, сочетающим надежные и апробированные методы исследований на физических и математических моделях, а также сходимостью результатов тестовых задач, выполненных с помощью известных решений механики подземных сооружений.
Практическое значение и реализация результатов работы
Замена сборной чугунной обделки на обделку из монолитного железобетона при сооружении эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге приведет к снижению финансовых затрат в 1,6 раза и сокращению сроков ввода объектов в эксплуатацию на 20-30%.
Рекомендации по расчету железобетонной обделки эскалаторного тоннеля с учетом ее пространственной работы в условиях неравномерных осадок, вызванных уплотнением грунтового массива при оттаивании, позволяют произвести рациональное армирование конструкции, как в про-
дольном направлении, так и в сечениях, перпендикулярных продольной оси тоннеля.
Практическая значимость работы отмечена на техническом совете специалистами ОАО «Метрострой» и ГУЛ Санкт-Петербургский метрополитен.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертационной работы докладывались: на научно-технических конференциях ПГУПС «Неделя науки» в 2000 и 2003 гг., на научно-технических семинарах кафедр «Тоннели и метрополитены» и «Прочность материалов и конструкций» ПГУПС в 2004, 2005 и 2006 гг., на V Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» Череповец 2002 г., на VI Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» ПГУПС 2004 г., на техническом совете ОАО «Метрострой» в 2003 г.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Содержит 136 страницы машинописного текста, в том числе: 43 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 103. наименований.
