Трубопроводы, дюкеры и трубы-ливнепроводы
Трубопроводы устраивают в местах трассы канала с неблагоприятными климатическими условиями (при низких температурах), на участках с снль- нопересеченной местностью или лавиноопасных, а также подверженных воздействию селей, камнепада. Все более широкое распространение получают закрытые оросительные системы, особенно в горной и предгорной зонах. Длина трубопроводов на закрытых системах достигает десятков Километров. Трубопроводы бывают открытые, укладываемые на поверхности земли, и засыпанные — в траншеях, туннелях, галереях, укладываемые так, чтобы к ним был обеспечен свободный доступ. На закрытых оросительных системах во внутрихозяйственной и межхозяйст- - венной частях трубопроводы укладывают в траншею и засыпают с целью уменьшения потерь орошаемой земли. Продольная и нормальная составляющие веса трубы воспринимаются анкерными опорами (рис. 8.23). Промежуточные опоры воспринимают нормальную по отношению к оси трубы составляющую ее веса. Во избежание возникновения температурных напряжений в трубах устанавливают компенсаторы.
Трубопроводы под насыпью укладывают в траншею на песчаную, гравийную или бетонную подготовку, после чего траншею засыпают грунтом. Такие трубопроводы конструктивно проще и дешевле открытых, так как не имеют бетонных опор и компенсаторов, но осмотр и ремонт их затруднительны.
Металлические трубопроводы дороги и применяются обычно в тех случаях, когда диаметры их невелики, а также на участках с большим внутренним давлением.
В связи с возрастающими масштабами строительства закрытых оросительных систем ведутся поиски более дешевых конструкций трубопроводов с сохранением требуемых характеристик.
К ним относятся, например, тонкостенные трубопроводы, стальные трубы с внутренним цементно-песчаным покрытием. В ряде случаев вместо стальных труб применяют чугунные, асбестоцементные (преимущественно для распределительных поливных трубопроводов). Трубопроводы также изготавливают из бетона, Железобетона, дерева (редко). Железобетонные трубопроводы устраивают сборными (при небольших диаметрах) и монолитными.
Дюкеры представляют напорные трубопроводы, прокладываемые под руслом канала, на склонах долины или под дорогой для пропуска расхода пересекающего их канала (рис. 8.24). Под руслом канала дюкер устраивают тогда, когда уровни воды в пересекаемых каналах имеют близкие отметки; ПОД дорогой, когда уровень воды пересекаемого канала находится на отмет- ках, близких к отметкам поверхности дороги и, следовательно, нельзя перевести воду над дорогой акведуком; через широкие и глубокие долины, когда стоимость акведука получается больше стоимости дюкера.
По материалу дюкера могут быть бетонными, железобетонными, стальными, деревянными и комбинированными. Бетонные дюкеры устраивают при напорах 30...50 м, дюкеры из предварительно напряженного железобетона— при напорах до 100 м, металлические (из стали)—практически при любых напорах. Применение металлических дюкеров сопряжено с высокой их стоимостью и требует специального обоснования. Деревянные дюкеры применяют весьма редко из-за их недолговечности.
По числу ниток дюкеры бывают одноочковые и многоочковые. По условиям эксплуатации и производства работ дюкеры могут быть заглублены в грунт или уложены на поверхности — вариант выбирают на основе техникоэкономического сравнения вариантов.
Небольшие дюкеры, работающие под малым напором, состоят из входного и выходного вертикальных колодцев, соединенных горизонтальной трубой. Рекомендуется предусматривать на входе и выходе из дюкера затворы. Перед дюкером ставят решетки. При пропуске больших расходов дюкеры имеют более сложную конструкцию (см. рис. 8.24).
Поперечные сечения дюкеров бывают круглые, прямоугольные и овоидальные. Круглое, сечение удобно о производстве, выгодно в гидравлическом отношении и хорошо воспринимает внутреннее давление. При небольшом внутреннем давлении и большой внешней нагрузке (заглубленные дюкеры) дюкеру иногда придают коробовую форму. Многоочковые дюкеры в большинстве случаев имеют прямоугольное сечение. Трубы дюкеров-трубопроводов располагают на анкерных и промежуточных опорах. Дюкер из звеньев сборных труб показан на рисунке 8.25.
К дюкеру предъявляются следующие основные требования: возможность регулярного осмотра, ремонта и очистки сооружения в период эксплуатации; водонепроницаемость всех швов; незаиляемость при пропуске малых расходов; отвод фильтрационных и других вод за пределы сооружения.
В гидравлическом отношении дюкер представляет напорный трубопровод, и, следовательно, гидравлический расчет его проводят как для напорной трубы с учетом всех потерь (на входе, на поворотах, на выходе и по длине) по формуле [126].
Площадь поперечного сечения дюкера определяют, исходя из условия его незаиляемости, среднюю скорость течения принимают порядка 1,5...4 м/с, ее определяют технико-экономическим расчетом из условия незаиляемости и сохранения командования.
При гидравлическом прыжке в трубе возникают значительные пульсации давлений, которые могут иногда привести к расстройству швов и т. п. Такие режимы нежелательны, и для борьбы сними предлагаются различные конструкции входных и выходных оголовков (рис. 8.27).
Не следует допускать образования перед дюкером вихревой воронки при пропуске максимального расхода; для этого верхнюю кромку трубы заглубляют под уровень верхнего бьефа на значение не менее 1,5 v2/(2g) или 0,6 а, где а— высота или диаметр трубы.
Если дюкеры работают в зимних условиях, необходимо проводить термический расчет на обледенение и проверку для этих условий пропускной способности сооружения. Статический расчет дюкера провидят как для напорных труб из соответствующих материалов (железобетон, металл, дерево).
Трубы-ливнепроводы предназначены для пропуска различных небольших водотоков (ручьи, ливневые талые воды и др.) под каналом или насыпью дороги. Для пропуска селевых потоков их не применяют.
По материалу трубы-ливнепроводы могут быть бетонными, железобетонными, каменными, металлическими. Наиболее широкое распространение получили железобетонные трубы. Сечения труб могут быть круглые, ово- идальные, прямоугольные (рис. 8.28); при пропуске значительных расходов воды трубы устраивают многоочковыми. Трубы круглого сечения обычно выполняют из сборного железобетона в виде звеньев диаметром 0,5...2 м, длиной до 1 м и массой до 3 т. Трубы овоидального сечения выполняют также из железобетона шириной в зависимости от пропускаемого расхода от 1 до 6 м и высотой в 1,5 раза больше. Широкое распространение получают железобетонные трубы прямоугольного сечения. По характеру гидравлического режима трубы могут быть безнапорными, полунапорными и напорными (см. гл. 4.1).
Обычно трубы устраивают безнапорными. Однако при пропуске паводковых расходов редкой повторяемости допускается временное затопление верхней кромки входного оголовка трубы; при этом в трубе может быть по- лунапорный или напорный режим потока. Для обеспечения перехода трубы на напорную работу уже при небольших затоплениях ее входа и устранения при этом неблагоприятных переходных режимов можно применить входной оголовок со щитом-крышкой (рис. 8.29, а). Во избежание размыва русло перед трубой и за ней укрепляют; при выходе потока из трубы с большими скоростями предусматривают устройство гасителей энергии.
Для обеспечения плавного впускай выпуска потока концевые участки трубы оснащают оголовками. В практике часто применяют портальные (рис.8.29,б) и раструбные (рис. 8.29, в) оголовки.
Гидравлический расчет труб-ливнепроводов слагается из расчета пропускной способности трубы и расчета сопряжения потока при выходе из трубы с устройством соответствующего крепления (см. гл. 4.4). В расчетах целесообразно учитывать трансформацию паводка перед трубой, что позволяет уменьшить размеры поперечного сечения трубы.
Статический расчет труб ведут с учетом всех нагрузок: внешних, от засыпки грунта с учетом собственного веса трубы или оголовка; от нагрузки в трубе и в соответствующих условиях учитывают сейсмические силы, давление от грунтовых вод, подвижной нагрузки сверху и т.д. Для труб, работающих в напорном режиме, учитывают и давление в трубе. Расчетную схему и метод расчета принимают в зависимости от конструкции трубы.
Общие сведения, условия применения, классификация и основные элементы туннелей. Гидротехническим туннелем называется закрытый водовод, проложенный в земной толще без удаления массы грунта, расположенного над ним. Туннели чаще всего строят в горных условиях, где трасса водовода (канал, водосброс) встречает на своем пути возвышенности и водоразделы, а также при сооружении временных и постоянных водосбросов высоких плотин.
Гидротехническому туннелю отдают предпочтение и применяют в следующих случаях: трасса водовода (канала или водосброса) проходит глубоко от поверхности земли, и строительство открытой выемки неэкономично; открытые водоводы могут быть повреждены осыпями, оползнями, камнепадами и т. п.; водовод проходит по густо- застроенной местности.
По назначению различают следующие гидротехнические туннели: энергетические; ирригационные и обводнительные; водопроводные и канализационные; судоходные и лесосплавные; водосбросные строительные и эксплуатационные; комбинированные. Если рассмотреть функции, выполняемые гидротехническими туннелями различного целевого назначения, то их можно разделить на три группы: подводящие (гидроэнергетические, водоснабженческие, оросительные и др.); отводящие (сбросные, канализационные, дренажные, гидроэнергетические и др.); транспортные (судоходные, лесосплавные).
По гидравлическому режиму течения воды в туннеле их подразделяют на напорные и безнапорные. Транспортные и канализационные туннели могут быть только безнапорными.
Тип туннеля выбирают с учетом назначения туннеля и условий его возведения и работы.
На территории нашей страны туннелестроение известно с глубокой древности. Сохранились следы древних водоводов в скалах на юге Киргизии, в Туркмении, в Таджикистане и других районах. Первый водосбросный туннель был построен в XVIII в. у Змеиногорской плотины (Урал) русским гидротехником К. Д. Фроловым, К настоящему времени построено более 200 км гидротехнических туннелей. Темпы туннелестроения постоянно нарастают. Построены крупные по размерам туннели, например на Токто- гульском гидроузле в Киргизии площадью поперечного сечения 200 м2. Дангаринский ирригационный туннель имеет длину 13,5 км.
Поперечные сечения гидротехнических туннелей. Площадь поперечного сечения туннеля определяют гидравлическим расчетом по обычным формулам гидравлики. При расчете деривационных туннелей среднюю скорость в туннеле принимают на основе техникоэкономических расчетов. Обычно скорости принимают в пределах 1,5... 4 м/с. Возможно увеличение шероховатости внутренней поверхности бетона в туннеле из-за наростов микроорганизмов и отложения солей со временем.
По производственным условиям не применяют поперечные сечения шириной меньше 1,5 м и высотой меньше 1,8 м.
Форму поперечного сечения туннеля принимают, исходя из инженерногеологических, гидравлических условий и возможностей производства работ малой стоимости. Туннельная выработка изменяет напряженное состояние окружающей породы и обусловливает возникновение в ней растягивающих напряжений, приводящих к деформации породы и при недостаточной е° прочности — к обрушению кровли выработки и выпучиванию боковых стенок. Для предотвращения указанных нежелательных явлений по контуру выработки при проходке устраивают временную крепь, которая в дальнейшем заменяется обделкой, воспринимающей давление деформирующейся породы.
Горное давление. Оно зависит от многих факторов: физико-механических свойств пород; геологических и гидрогеологических условий района строительства; формы и размеров поперечного сечения выработки; расположения оси трассы (горизонтальное, наклонное, вертикальное); времени от момента завершения выработки до установки обделки. Горное давление может развиваться как вертикально, так и под некоторым углом или перпендикулярно боковым стенкам (боковое горное давление).
Значение горного давления можно определить лишь приближенными методами для проведения предварительных расчетов; точных теоретических решений нет. При проектировании ог- 4 ветственных и крупных объектов значение и характер горного давления определяют экспериментально в опытных выработках. Имеются также лабораторные методы определения горного давления. Существующие приближенные теоретические методы определения горного давления, действующего на обделку, основываются иа различных предположениях. Наибольшее распространение получил метод расчета по своду обрушения с использованием теории сыпучих тел с введением кажущегося коэффициента трения (коэффициента крепости породы), учитывающего, кроме сил трения, силы сцепления в горной породе (в грунте), предложенного М. М. Пратодьяконовым. Значение изменяется в широких пределах: от 0,3...0,6 для песка, супеси; до 20 и более для прочных скальных пород.
При определении горного давления М. М. Протодьяконовым рассмотрены две схемы горного давления: 1) для крепких пород, когда боковое давление практически отсутствует или весьма мало; 2) для слабых пород, когда, кроме вертикального давления, имеется и боковое.
По первой схеме (рис. 8.30, а) предполагается, что над прямоугольной туннельной выработкой шириной I часть породы придет в движение (только со стороны кровли) и обрушится на высоте ft; по линии АОВ обрушение прекратится, образуется естественный свод (свод давления). Вертикальное горное давление в этом случае выразится весом породы в объеме АОВ. Форму свода можно определить приближенно из условия равновесия его под равномерной вертикальной нагрузкой р вышележащей породы в предположении отсутствия моментов в своде, то есть наличия только центрального сжатия N, так как на границе обрушения породы растягивающее напряжение отсутствует. Рассмотрим условие равновесия произвольно выделенного участка ОС, к которому приложены сила распора И и продольная сила, заменяющая действие отброшенных частей свода. Условие равновесия может быть выражено равенством нулю суммы моментов всех сил, действующих на участок свода ОС относительно точки О:
Если высота стен туннеля больше 6 м, горизонтальное горное давление при скальных породах надо определять из условия предельного равновесия отдельных скальных блоков, отсеченных трещинами [89].
При закреплении выработок (анкерами, железобетонными арками, набрызг-бетоном) горное давление на обделке туннеля не должно учитываться независимо от типа горной породы. Если туннель имеет заглубление менее двойной высоты свода, то горное давление принимают равным весу толщи породы над ним.
Условия работы, особенности устройства и выбор формы сечения туннелей. Безнапорные туннели строят тогда, когда колебания уровней в голове туннеля невелики и когда это выгодно по гидравлическим и экономическим условиям. Максимальной пропускной способностью обладают туннели, имеющие в части, заполненной водой, круглую или прямоугольную со скругленными углами форму сечения. При выборе формы сечения безнапорных туннелей рекомендуется руководствоваться следующим:
для туннелей небольших размеров в прочных скальных породах с незначительным горным давлением и отсутствием бокового давления наиболее предпочтительно прямоугольное сечение (рис. 8.31, а);
при небольшом вертикальном горном давлении и отсутствии бокового давления предпочтительно корытообразное с полукруглым сводом сечение (рис. 8.31,6);
при большом вертикальном горном давлении, небольшом боковом давлении и незначительном колебании уровня воды в туннеле рекомендуется подъемистое с верхним сводом малого радиуса и криволинейными стенками сечение (рис. 8.31, в);
при значительном вертикальном и боковом горном давлении и при наличии давления пород снизу рекомендуется подковообразное (коробовое) сечение (рис, 8.31,г);
при наклонном или переменном напластовании горных пород, наличии значительного напора грунтовых вод и щитовом способе проходки предпочтительно круглое сечение.
Минимальные размеры туннелей в свету рекомендуется принимать [83]: при наличии обделки d — 2 м и без обделки для сечений; для круглого сечения d — 2,5 м. Расстояние от поверхности воды до шелыги свода туннеля при скорости движения воды и установившемся движении до 10 м/с должно быть не меньше 0,07 высоты туннеля в свету (но не менее 0,4 м) при условии подвода воздуха в воздушную зону. При больших скоростях это расстояние обосновывают исследованиями.
Напорные туннели применяют в случаях, когда пьезометрическая линия проходит с некоторым запасом выше шелыги свода туннеля при любом уровне воды питающего водоема, а также когда по топографическим и геологическим условиям их строить экономически выгоднее.
Для напорных туннелей характерно значительное внутреннее гидростатическое давление, обделка работает обычно на растяжение. При больших напорах наилучшая форма поперечного сечения напорного туннеля — круглая. В производственном отношении круговая форма выработки более сложна, чем, например, выработка с вертикальными стенками. Выбор формы сечения окончательно решается на основе технико-экономического сравнения вариантов.
Типы и основы статического расчета обделок. В целях удержания стенок и потолка выработки от обрушений, предохранения скалы от разрушающего воздействия воды и воздуха, уменьшения шероховатости как безнапорные, так и напорные туннели делают с обделкой. При этом в прочных и устойчивых породах обделки туннелей предназначаются лишь для уменьшения шероховатости и водопроницаемости, то есть они здесь являются только облицовками. Их выполняют из монолитного или набрызг-бетона.
В слаботрещиноватых прочных породах при скорости течения воды менее 10 м/с в безнапорных туннелях обделку не делают [83]. Для уменьшения шероховатости поверхности туннеля рекомендуется применять гладкое взрывание. Допускается проектировать без обделки и напорные туннели, если глубина заложения их не меньше половины значения внутреннего напора.
Конструкцию обделки в каждом отдельном случае выбирают в соответствии с инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями трассы и в зависимости от размеров и формы поперечного сечения туннеля, условий его эксплуатации и условий производства работ при его проходке.
Обделки из естественных камней и кирпича (или в виде армо-кирпичной кладки) практически не применяют..
Бетонные обделки применяют в плотных, малодеформирующихся породах с малой и средней крепостью и с умеренным горным давлением. Обделку устраивают по всему периметру туннеля (рис. 8.32, а) или только в верхней части, а в нижней возводят выравнивающую облицовку (рис. 8.32,6). .
Железобетонные обделки применяют в слабых породах, когда растягивающие напряжения в бетоне превосходят допускаемые, при значительном горном давлении и больших сечениях (рис. 8.32,в). Их выполняют монолитными из армированного набрызг-бетона и сборными из отдельных блоков или (при пролетах до 3 м) цельнозамкнутых колец. В породах слаботрещиноватых или слоистых несущую способность обделки из набрызг-бетока можно увеличить установкой анкеров. Если в обделке искусственно создать сжимающие напряжения, равные или близкие по значению растягивающим напряжениям от эксплуатационных нагрузок, это приведет к повышению их трещиностойкости, водонепроницаемости, увеличению срока службы и к уменьшению толщины, что особенно важно для напорных туннелей как в части уменьшения объема горной выработки, так и их стоимости. Начальное напряженное состояние обделки можно создать различными способами, что обусловливает и особенность конструкции обделки. По этому признаку обделки делятся на:
напряженно-армированные и бандажированные, в которых сжимающие напряжения обеспечиваются натяжением арматуры или бандажей (рис. 8.33, г), размещенных по наружной поверхности.
обжатые, в которых начальные напряжения обеспечены без использования арматуры — нагнетанием цементного раствора в специальный зазор между обделкой и выравнивающим слоем бетона либо вдавливанием обделки в породу (рис. 8.33,в). При обжатии цементный раствор нагнетают под высоким давлением —0,4 МПа и более, в 1,5 раза и больше будущего напора в туннеле. Предварительнонапряженные обделки могут быть как монолитными, так и сборными.
Иногда, при высоких напорах, применяют комбинированные обделки, представляющие как бы два кольца: внутреннее (железоторкретное, железобетонное или стальное) и внешнее (бетонное или железобетонное — монолитное либо сборное из блоков или тюбингов). Примеры сборных и предварительно-напряженных обделок представлены на рисунке 8.33. Для снижения давления подземных вод на обделку выполняют дренаж в виде продольных дрен под туннелем или поперечных дрен.
Применяют и другие конструкции обделок. Так, в случае больших напоров, когда от облицовки требуется полная водонепроницаемость, даже в устойчивых и прочных породах прибегают к устройству металлических облицовок из стали толщиной 4...5 мм и более с наружным бетонным или железобетонным кольцом. Применяют обделки с эластичной водонепроницаемой прокладкой — из плит-оболочек с гибкой волнистой прокладкой из металлопласта (тонкая листовая малоуглеродистая сталь, обклеенная с обеих сторон пленкой из поливинилхлорида). Такие обделки применяют, когда цементацией удается создать вокруг туннеля водонепроницаемую зону породы. Несущие обделки гидротехнических туннелей проектируют как трещиностойкими, так и не трещиностойкими с допускаемым раскрытием трещин. Обычно бетонные и железобетонные обделки проектируют нетрещиностойкими, если фильтрация из туннеля не создает опасности снижения долговечности обделки и устойчивости горного массива и допустима по энергоэкономическим соображениям, Трещиностойкие обделки применяют в породах, подверженных суффозии, выщелачиванию и при наличии воды с гидрокарбонатной щелочностью менее 0,25 мг- экв/л.
Для определения размеров обделки проводят статические расчеты. За основные силы, действующие на обделку, принимают горное давление, собственный вес обделки, зависящий от ее толщины б, которую предварительно назначают по аналогии с имеющимися туннелями или по графикам (рис. 8.34 — для безнапорных и рис. 8.35 — для напорных туннелей) в зависимости от ширины туннеля в свету. На графиках по оси абсцисс откладывают коэффициент крепости пород fKp по М. М. Протодьяконову, а по оси ординат— отношение толщины обделки б к ширине туннеля в свету. При определении толщины обделки б напорного туннеля необходимо учитывать их отличие от безнапорных, заключающееся в том, что напорные туннели находятся под внутренним давлением воды наряду с воздействием других сил. Существенную роль в работе обделки поэтому играет упругий отпор породы, в которой расположен туннель. Используя график (см. рис. 8.35,а), по значению коэффициента упругости отпор определяют долю внутреннего гидростатического давления, воспринимаемую обделкой. Определив числовое значение давления, воспринимаемого обделкой, для заданного коэффициента крепости породы по графику (см. рис. 8.35,6) находят толщину обделки в долях от диаметра туннеля. Минимальная толщина обделок бетонных монолитных и железобетонных с однорядной арматурой 20см, с двухрядной арматурой 25 см, из на-брызг-бетона несущих 10 см, выравнивающих и из железоторкрета 5 см. на трещиностоикость, если трещины не допускаются, или на раскрытие трещин, если это допустимо по условиям долговечности обделки, сохранности массива породы и фильтрационного расхода из туннеля [83]. Существует много способов расчета напряженно- деформированного состояния обделок (определения усилий в них), основанных как на методах строительной механики, так и на методах теории упругости. Все большее применение получает метод конечных элементов. Расчеты осуществляют на ЭВМ. Эти методы можно разделить на три группы: взаимодействие между породой и обделкой не учитывают, обделку рассчитывают на заданные нагрузки; нагрузку от породы разделяют на активную и пассивную (отпор), горное давление считают заданным, а отпор определяют расчетом; нагрузку на обделку определяют из решения контактной задачи о взаимодействии обделки и горной породы. Рекомендации по выбору метода расчета обделки в зависимости от ее типа и инженерно-геологических условий приведены в [83].
Расчеты обделок безнапорных туннелей. Если в скальной породе отсутствует боковое давление (fKp>4) и по боковым стенкам и дну предусмотрена только выравнивающая обделка (см. рис. 8.32,6), расчет обделки сводится к расчету упруго заделанного в пятах свода на вертикальное горное давление и давление грунтовых вод. Для тех же условий, но при наличии сплошной обделки примерно одинаковый (по периметру) толщины (см. рис. 8,32, а) расчет обделки можно выполнить по расчлененной схеме, то есть выделяют отдельно рабочий свод с центральным углом 120°, который рассчитывают на вертикальное горное давление. Выделение в расчете свода обусловлено наблюдаемыми в практике схемами обрушения.
Если на обделку действует также и боковое горное давление — при подковообразном сечении (см. рис. 8.31, г), ее расчет проводят более точно, как для замкнутого контура. При этом рассматривается подъемистый свод (свод с боковыми стенками), упруго заделанный в нижний лоток, лежащий на упругом основании (метод Г. Г. Зурабова и О. Е. Бугаевой).
Упругий отпор породы и трение по поверхности учитывают на той части контура обделки, которая в расчетной схеме действия сил получает перемещение в сторону породы; в очень слабых, неустойчивых породах упругий отпор не учитывают.
Расчет обделок напорных туннелей. Поперечное сечение напорного туннеля, как уже отмечалось, обычно имеет вид круга.
Расчет однослойных кругов обделок на внутреннее гидростатическое давление р с учетом упругого отпора породы можно проводить по формулам Б. Г. Галеркина для цилиндрической трубы, работающей на растяжение в упругой среде с коэффициентом упругого отпора k. Нормальные напряжения о в точке с радиусом г, значение которого изменяется в пределах внутренний и наружный радиусы обделки, при этом будут:
Расчет круговой однослойной обделки на вертикальное и боковое горное давление, собственный вес обделки, давление воды, заполняющей туннель без напора, и на давление подземных вод осуществляют по методу О. Е. Бугаевой с учетом упругого отпора породы, но без учета трения. Упругий отпор породы принимают действующим по нижней и средней частям обделки с центральным углом 270°.
После проведения расчетов от различных нагрузок полученные напряжения суммируют.
В замке обделки круглого сечения туннелей, проложенных в слабых грунтах, от воздействия горного давления, собственного веса и внутреннего гидростатического давления появляются растягивающие напряжения. В круглых сечениях можно делать прямую горизонтальную вставку, в которой момент от гидростатического давления, имеющий обратный знак по отношению к моменту от горного давления и собственного веса, приблизительно уравновешивает его (С. К. Шаншиев).
Расчет двухслойных (комбинированных) обделок состоит из двух частей: расчета наружной обделки на внешнее давление и расчета двухслойной обделки на внутреннее.
Входные и выходные оголовки туннеля (порталы). Место, где кончается подходная к туннелю выемка и начинается туннель в лобовом откосе выемки, называется врезкой туннеля, а постоянное сооружение по обделке врезки — порталом или оголовком. Б каждом туннеле имеются два портала — входной и выходной, которые служат для создания плавного подхода к туннелю и от него к дальнейшей части водовода, гашения избыточной энергии потока, выходящего из туннеля, регулирования расхода, закрепления концевых участков обделки и в других целях.
Основные элементы портала — подпорная стенка для поддержания откоса горного массива (см. рис. 8.29), подпорные стенки, ограждающие боковые откосы врезки, и в некоторых случаях дополнительная стенка для направления потока к порталу и предупреждения косогорной части массива от размыва. Поверхность подводящего и отводящего каналов у порталов укрепляют против размыва на соответствующую длину. За низовыми подпорными стенками обычно устраивают дренаж.
Конструкции порталов могут быть различными; например, выходной портал безнапорного туннеля отличается от портала напорного и оснащенного конусными затворами и т.д.
Некоторые вопросы проектирования. Трассу туннелей и его высотное положение выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов. При этом назначают варианты трассы с наиболее благоприятными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, по возможности в крепких породах без значительного горного давления и тектонических нарушений, оползней, карста, притока грунтовых вод, благоприятных в санитарном отношении, а также конкурирующих по производству работ и экономическим показателям.
В плане трасса туннеля должна быть минимальной прямолинейной. При скорости движения воды в туннеле до 10 м/с углы поворота должны быть не более 60° при радиусе закругления до пяти пролетов туннеля. При больших скоростях углы поворота и радиусы закругления определяют специальными расчетами или лабораторными исследованиями.
Высотное положение туннеля и уклоны определяют гидравлическими условиями, заданным положением водоема и условиями сброса из него воды.
Учет сейсмических воздействий проводят в соответствии с указаниями СНиП [83, 93].
Учесть износостойкость и температурные напряжения — особенно сложная задача при проектировании и строительстве туннелей в условиях многолетней мерзлоты в силу специфических свойств вечномерзлых грунтов, их изменчивости в зависимости от колебаний температуры и многих других факторов [83].
Способы производства туннельно- строительных работ выбирают в зависимости от инженерно-геологических условий, глубины залегания выработки, длины туннеля и размеров его поперечного сечения.
Широкое распространение получили как горные способы проходки, так и использование щитов и туннелепроходческих машин.
В стадии разработок находятся новые методы разрушения пород электромагнитными волнами сверхвысоких частот, лазерными и электронными лучами, гидравлическими методами. При производстве проходок особое внимание следует уделять вентиляции.
Применение временной крепи предусматривают при проходке туннелей. В качестве временной крепи используют анкерную или комбинированную, то есть сочетание анкерной крепи с металлической сеткой или набрызг-бетоном. Для постановки деревянной, железобетонной или стальной крепи необходимо увеличивать размеры выработки. Временную крепь не всегда удается снять из-за возможных обвалов, и тогда она остается за пределами обделки. Применение анкерной крепи позволяет сократить переборы в выработке, создать армокаменный свод по периметру выработки, связанный с вышележащей устойчивой неповрежденной породой. Набрызг-бетон вследствие хорошего сцепления со скальной поверхностью выработки можно рассматривать как одно целое с укрепленной и омоноличенной скальной породой.