Выбор материала и расчет параметров обделок вертикальных стволов метрополитенов

Выбор материала и расчет параметров обделок вертикальных стволов метрополитенов

Оглавление.

| |стр.|
|1. Аннотация (Annotation) | |
| |2 |
|2. Общий раздел |3 |
| 2.1. История развития метрополитена. Метрополитен|4 |
|сегодня. | |
| 2.2. Введение. |8 |
| 2.3. Горно-геологические условия строительства. |9 |
| 2.4. Выбор и расчет сечения вертикального ствола. |10 |
| 2.5. Расчет паспорта буро-взрывных работ. |12 |
| 2.6. Расчет параметров замораживания массива. |14 |
| 2.7. Технология ведения работ по замораживанию |17 |
|породного массива. | |
| 2.8. Производство горнопроходческих работ. |19 |
|3. Основная часть. |21 |
| 3.1. Нагрузки от горного давления на обделки |22 |
|вертикальных стволов метрополитенов. | |
| 3.2. Проверка несущей способности тюбинговых |29 |
|обделок вертикальных стволов метрополитенов. | |
| 3.3. Расчет параметров и построение паспорта |32 |
|прочности несущей способности тюбинговых обделок | |
|вертикальных стволов метрополитенов. | |
| 3.4. Проверка устойчивости тюбинговых обделок |35 |
|вертикальных стволов метрополитенов. | |
|4. Приложения. |36 |
|4.1. Программа для проверки несущей способности и |37 |
|построения паспорта прочности тюбинговых обделок | |
|вертикальных стволов метрополитенов. | |
|5. Список используемой литературы. |57 |

1. Annotation

In this work analysis procedure for bearing capacity of tubbing lining for shaft is presented. The analysis is camed out for two layer lining ring. The procedure is implemented into computer program for calculation the bearing capacity of standart tubbing lining and allows to evaluate nonstandart tubbing lining performance. The program is designed for
Microsoft Windows version 3.1 or higher and OS/2.

2. Общий раздел

2.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МОСКОВСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА. МЕТРОПОЛИТЕН СЕГОДНЯ.

Тоннели метрополитенов относятся к категории капитальных сооружений, срок службы которых планируется не менее чем на столетие. Поэтому не случайно теоретик метростроения П.И.Балинский, анализируя факторы, влияющие на жизненность таких внеуличных транспортных систем, зависимых , главным образом, от численности и подвижности населения крупнейших городов, обращается к периодам такого масштаба.

К началу прошлого столетия, когда появились метрополитены, население самого крупного города планеты - Лондона достигло миллиона человек (в 1800 г. - 950 тыс., а уже в 1801 г. - 1 млн.145 тыс.чел) и продолжало возрастать.

Нашествие Наполеона превратило пылающую столицу в почти безлюдный город. Но всего два года спустя город стал быстро оживать. В английской столице в 1814 году Александру I представили члена Лондонского королевского общества, талантливого военного инженера Марка Брюнеля. Речь зашла о насущной проблеме устройства постоянной шоссейной переправы через р.Неву в Петербурге, в результате чего с Брюнелем был заключен контракт на ее проектирование. Начатую в 1814 г. работу он передал русским заказчикам в начале 20-х гг. в двух вариантах: мостовом и тоннельном. Вариант подводного тоннеля возник вследствие опасения разрушения опор моста плывущими льдинами. В основе проекта оказалось замечательное изобретение - тоннелепроходческий щит, ставший впоследствии наиболее эффективным средством метростроения не только в России и Англии, но и во всем мире.
Идея возникла при наблюдении за морским моллюском-древоточцем, пробуривавшим своей раковиной отверстия в обломках затонувшего корабля. В первых эскизах Брюнель представил механическую копию такого цилиндрического червя для бурения тоннелей со сборной тюбинговой обделкой, монтируемой по спирали, - настоящего предшественника будущих механизированных щитов.
Брюнеля не отпустили в Россию. Страну, с которой он имел официальные деловые связи, и, лишившись поддержки скончавшегося в 1825 г. Александра I, он остался в Лондоне. Брюнель переработал чертежи применительно к местным условия р.Темзы, сходным с Невой.

В 1863 г. произошло главное событие в истории метростроения - пуск первого в мире 3,6-километрового подземного участка внеуличной железной дороги в Лондоне. В 1863 г. парламентская комиссия одобрила сооружение подземной кольцевой линии общей протяженностью 30 км. Она откралась в 1884 г.

Большое внимание привлекла постройка первой электрофицированной линии в Париже, с которой могли ознакомиться многочисленные посетители Всемирной выставки 1900 г. Активное участие в создании этой и нескольких последующих линий принимал русский инженер, энтузиаст отечественного метростроения С.Н.Розанов.

Наступило время уверенной прокладки подземных линий метрополитенов в
Берлине, Гамбурге, Филадельфии, Мадриде, Барселоне, Токио. Началась борьба за метрополитен в Петербурге и Москве.

Перед первой мировой войной транспортный кризис в Москве резко обостирлся, в результате чего появилось несколько новых предложений метрополитена, инициированных Городской Управой. Населенность Москвы к 1915 г. достигла двухмиллионой отметки и, казалось, что проблема приобретает облик реальности, но помешали военные и революционные события, преобразовавшие страну.

Для быстрейшего восстановления городского коммунального хозяйства в
Москве было создано управление МКХ. Работу в нем возглавили опытные инженеры К.С.Мышенков и С.Н.Розанов, перешедшими в 1931 г. в организованный "Метрострой". Проходка в этом же году началась с опытного участка по рабочим чертежам Технического отдела Управления Метростроя, а затем - Метропроекта, выпущенным под руководством проф.В.Л.Николаи.
Постройка первого в мире Лондонского и первого в нашей стране осуществлялась по чертежам, разработанным еще до создания строительных организаций: в Лондоне - Брюнеля, а в Москве - опытного тоннеля
С.Н.Розанова.

Сооружение линии 1 очереди велось с неподдельным энтузиазмом, а пуск первого в России метрополитена ознаменовался, как подлинный праздник.

Сегодня невозможно себе представить нашу столицу без самого быстрого и эффективного городского транспорта - метрополитена. Общая длина подземных магистралей превысила 250 км и продолжает расти. Ежедневные перевозки достигли 8,7 млн. пассажиров. Все это обеспечивается неустанным трудом 30-тысячного коллектива метрополитена.

Московский метрополитен - первенец отечественного метростроения - с момента своего открытия в 1935 году занимает ведущее положение в отрасли, являясь флагманом научно-технического прогресса в системе метрополитенов страны.

В жизни крупнейших городов мира, в том числе и Москвы, метрополитен является наиболее удобным для населения видом городского пассажирского транспорта. 15 мая 1995 г. исполнилось 60 лет со дня открытия движения поездов на первой линии Московского метрополитена протяженностью 11,2 км с
13 станциями.

С тех пор метрополитен постоянно развивался, совершенствовалось его сложное хозяйство. Сегодня эксплуатационная длина 9 линий достигла 243,6 км со 150 станциями.

С увеличением протяженности трассы постоянно возрастал и объем перевозок пассажиров: в 1935 г. среднесуточные показатели составляли 177 тыс., а в 1994 г. 8723 тыс.человек. В настоящее время на долю метрополитена приходится 51,7 % объема всех пассажирских перевозок города. Максимальная интенсивность движения - 42 пары 8-вагонных составов в час, интервал между поездами 85 секунд (Замоскворецкая линия). Такой интенсивности движения нет ни на одном метрополитене мира. Кроме того, заполняемость вагонов значительно превышает допустимые нормы, что отрицательно сказывается на надежности устройств вагонов, пути и, в конечном счете, на выполнении графика движения поездов.

По оценкам специалистов, метрополитену для полного обеспечения потребности столицы в перевозках пассажиров неддостает около 100 км линий,
В настоящее время плотность сети метрополитена на 1 км2 площади города составляет 0,26 км, в то время как в Нью-Йорке этот показатель равен 0,5, в
Лондоне - 1,2, в Париже - 2,8 км.

За 60 лет: перевезено более 86 миллиардов пассажиров; пропущено около
111 миллионов поездов, из которых 99,93 % проследовало строго по графику; сэкономлено электроэнергии 515 миллионов кВтч.

Среди метрополитенов Российской Федерации среднесуточная перевозка пассажиров Московского метрополитена составляет около 80 %, что почти в
5,4 раза выше среднесуточной перевозки С.-Петербургского и в 29 раз -
Новосибирского метрополитенов.

МЕТРОПОЛИТЕН В ЦИФРАХ

|Показатели |15 мая |15 мая |
| |1935 г. |1995 г. |
|Протяженность линий,км |11,2 |243,6 |
|Их количество |1 |9 |
|Количество станций |13 |150 |
|в том числе: | | |
| |- |49 |
|- пересадочных |4 |107 |
|- оборудованных эскалаторами | | |
|Количество вестибюлей |16 |232 |
|То же, эскалаторных машин |15 |508 |
|Протяженность лестничного полотна |1.5 |55.2 |
|эскалаторов, км | | |
|Развернутая длина тоннелей, км |13.01 |521.6 |
|То же, пути, км |30.08 |703.7 |
|Среднесуточная перевозка |177 |8723 |
|пассажиров, тыс. чел. | | |
|Годовой объем перевозки, млн. чел.|110.7 |3183.9 |
|Удельный вес в общегородских |2 |51.7 |
|перевозках, % | | |
|Количество вагонов |58 |4060 |
|Максимальное число вагонов в |4 |8 |
|составе | | |
|Максимальная частота движения |15 |42 |
|поездов, пар/час | | |
|Минимальный интервал между |5 мин. |85 сек |
|поездами | | |
|Пропуск поездов в среднем за сутки|487 |7870 |
|(проезд) | | |
|Конструктивная скорость движения, |50 |90 |
|км/ч | | |
|Средняя эксплуатационная, км/ч |26.7 |41 |
|Удельный расход электроэнергии, |67.2 |55.5 |
|кВтч/тыс.тн.-км | | |
|Численность работников по |1991 |24615 |
|эксплуатации, чел | | |
|То же на 1 км пути, чел |181 |104.3 |

2.2. Введение.

Вертикальный ствол является вскрывающей горной выработкой для раскрытия фронта проходческих работ при строительстве станций метрополитена глубокого заложения.

В процессе строительства подземного сооружения через вертикальный ствол ведут все строительные работы. Он служит для выдачи породы, подачи материалов, оборудования и элементов обделки, для энергоснабжения, водоотлива и вентиляции при проходке, а так же для спуска и подъема людей.

В период эксплуатации станции метрополитена глубокого заложения ствол используют главным образом для вентиляции сооружения. В отдельных случаях стволы забучиваются.

Вертикальный ствол имеет круговое сечение, которое обеспечивает рациональную работу обделки в условиях всестороннего горного давления.

2.3. Горно-геологические условия строительства.

Горно-геологический район строительства вертикального ствола круглой формы диаметром в проходке 6 м и глубиной 45 м состоит из водоносных песчаных и глинистых грунтов и известняков:

- Рыхлые горные породы, галька, щебень, песок.

- Наносы, слежавшиеся грунты, пластичные глины, известняк белый мелкокристаллический.

Абсолютная отметка устья ствола 131 м. Глубина ствола 45м.

Мощности пластов песка [pic], глины [pic] и известняка [pic] равны соответственно 10, 15 и 25 м.

Пористость песка, глины и известняка равны соответственно 38, 40 и
39%, а весовые влажности - 17, 22 и 20%.

Удельные веса песка, глины и известняка равны соответсвенно 19, 19.6 и
21 Н/м3.

Начальная температура грунта и температура замерзания равны соответственно [pic]=+120С и [pic]=00С.

2.4. Выбор и расчет сечения вертикального ствола.

Для обеспечения рациональной работы материала обделки в условиях всестороннего горного давления принимаем круглую форму сечения ствола.
Произведем расчет размеров сечения ствола.

Определяем часовую производительность подъема:

AЧ=[pic], т/час, где кр=1.5 - коэффициент неравномерности подъема;

N=300 - число рабочих дней в году; t=16 - ч/сут - время работы в сутки;

АГ - годовой объем грунта выдаваемый из ствола, АГ (100000 м3.

AЧ=[pic] т/час.

Определяем массу груза выдаваемого за один раз:

[pic] AЧ, т, где [pic] - высота подъема, м;

НСТ=45 м - глубина ствола; h1=8.1 м - высота откаточного горизонта;

[pic] м;

(=12 сек - время разгрузки-загрузки клети.

[pic] т.

Определяем объем одновременно поднимаемого груза:

[pic], м3, где (=1.9 ( 2.1 т/м3 - средняя плотность выдаваемой породы.

[pic] м3.

По полученной грузоподъемности выбираем:

- вагонетка УВГ - 1.6: вместимость кузова 1.6 м3; габариты - 850(1300(2700 мм; ширина колеи - 600 мм;

- клеть марки 1УКН3.3Г-2, с размерами: ширина - 1000 мм: высота - 3040 мм: длина - 3300 мм;

- подъемная машина марки 2БМ-2000/1030-3А: двухбарабанная; диаметр каната dК=24 мм; высота подъема - 170 м; потребляемая мощность - 90 кВт; масса машины - 31100 кг.

Произведем выбор армирующих элементов.

В качестве проводников принимаем сосновый брус 160(180 мм. Расстрелами принимаем балки из двутавра №24.

Учитывая все минимально-допустимые зазоры:

- зазоры между расстрелами и клетью - 200 мм;

- зазоры между проводниками и направляющими башмаками клети - 10 мм;

- зазор между углом клети и обделкой - 150 мм; и размеры лесоспуска 1.5 м2, и лестничного отделения - 0.6(0.7 м, а так же учитывая толщину тюбингового кольца обделки, графически определяем искомое сечение ствола.

Ближайшим к типовому сечению ствола является сечение ствола с наружним диаметром по обделке 6.0 м.

Принимаем DСТВ=6.0 м.

2.5. Расчет паспорта буро-взрывных работ.

Определим удельный расход взрывчатого вещества и примем его тип. При данных горно-геологических условиях строительства наиболее целесообразно применить аммонит №6ЖВ, в патронах диаметром 32 мм. Электродетонаторы типа
ЭДКЗ-ПМ-15 с сериями замедления - 0; 0.15; 0.30; 0.45; 0.60 сек.

[pic], кг/м3, где q1=0.1f, где f=4 - крепость вмещающих пород по профессору
Протодьяконову;

[pic],

[pic]

[pic], где Sпрох - сечение ствола в проходке

[pic]ВЧ[pic] м2

Sвч=28.26 м2

[pic]

[pic] - коэффициент работоспособности;

[pic]

[pic] кг/м3.

Определим количество шпуров в сечении

[pic], где

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic] шпуров.

Определим и зададим остальные параметры буро-взрывных работ: глубина шпура - [pic] м; глубина заходки - [pic] м;

КИШ=0.8 ([pic]);

Определим расход взрывчатого вещества за цикл:

[pic],

[pic] кг/цикл.

Заряжание шпуров призводится следующим образом: в центральный (буферный) шпур заряжается одна шашка массой 250 грамм, во врубовые - 3 шашки, в отбойные - 2 шашки. Общее число шашек - 98 штук.
Взрывание производится методом обратного инициирования. Материал забойки - песок средних фракций. Взрывание производится с четырьмя степенями замедления.

2.6. Расчет параметров замораживания массива.

Расчет ледогрунтового ограждения.

Расчет толщины ледогрунтового ограждения производим по формуле Ляме.

[pic], где [pic] м - радиус ствола в проходке;

[pic] МПа - допустимый предел прочности замороженных пород на сжатие;

[pic] - коэффициент запаса прочности при сжатии, равный 2-5.

[pic] - давление массива на ледогрунтовое ограждение, где

[pic] - удельный вес грунта, т/м3;

[pic] м - глубина замораживания;

[pic] МПа

[pic] м.

Расчет диаметра замораживания и числа замораживающих

Число колонок

[pic], где [pic];

[pic] м - диаметр ствола;

[pic] - глубина замораживания;

[pic] м

[pic] колонки, где [pic] м - расстояние между колонками.

Расчет хладопроизводительности замораживающей станции.

[pic], где [pic] ккал/час, где [pic] м - диаметр замораживающей колонки;

[pic] - глубина замораживания;

[pic] ккал/м2.час

[pic] ккал/час

[pic] ккал/час

Таким образом исходя из полученной хладопроизводительности принимаем установку замораживания ПХУ-50.

Технические характеристики ПХУ-50:

- хладопроизводительность при

[pic] и [pic] - 203 ккал/час;

- общая установленная мощность электродвигателя - 105 кВт;

- хладагент - фреон;

- одновременная зарядка хладоном R-22 - 550 кг;

- рабочее давление охлаждающей воды - 0.4 МПа;

- зарядка системы CaCl2 - 1.6 т.

На время эксплуатации используются четыре станции ПХУ-50, одна из которых резервная, но иногда включается в работу.

Расчет времени активного замораживания.

[pic], сут, где [pic], где

[pic] - объем породного цилиндра;

[pic]

[pic] м3

[pic], где [pic]

[pic] м3

[pic]

[pic] - пористость

[pic] ккал/0С.кг

[pic] кг/м3

[pic]

[pic]

[pic] ккал/м3

[pic], где

[pic] ккал/кг

[pic] ккал/кг

[pic]

[pic]

[pic] кг/м3

[pic] ккал/0С.кг

[pic]

[pic] ккал/м3

[pic]

[pic] м3

[pic] кг/м3

[pic] ккал/0С.кг

[pic] ккал/м3

[pic] ккал/м3

[pic] ккал/м3

[pic]

[pic] ккал/м2.час

[pic] м2

[pic] ккал

[pic] сут

Таким образом время активного замораживания равно 23 суткам, так как необходимое время на подключение и проверку хладопроизводительной станции около 7 дней.

Во время пассивного режима замораживания хладопроизводительность станции берется равной 35% от активного режима замораживания, что обеспечивается постоянной работой одной станции ПХУ-50 с периодическим подключением еще одной ПХУ-50.

2.7. Технология ведения работ по замораживанию породного массива.

Сооружение ствола начинается с возведения форшахты, которая выполняет роль оголовка ствола. Сначала отрывается котлован на глубину 4 м и на бетонную подготовку толщиной 15 см водружаются четыре тюбинговых кольца ствола. Далее, предварительно вставив кондуктора под бурение замораживающих скважин, из труб диаметром 219 мм в затюбинговое пространство закачивается бетон марки В25. После схватывания бетона приступают к бурению замораживающих скважин диаметром 300 мм. Бурение осуществляется станком СБУ-
150 с глинистым пригрузом. Замораживающие скважины заглубляются в водоупор не менее чем на 4 метра. Буровые работы производятся в следующей последовательности:

- бурение замораживающих, дополнительных и термометрических скважин;

- цементация затрубного пространства замораживающих и термометрических скважин; перед опусканием в скважину замораживающей колонки ее обязательно промывают водой;

- по окончании проходки ствола все пробуренные скважины тампонируются или цементируются.

После того как скважины пробурены их оборудуют замораживающими колонками и монтируют рассольную сеть. В качестве колонок используют бесшовные цельнотянутые трубы с наружным диаметром 146 мм, насосно- компрессорная труба диаметром 114 мм и питающая труба диаметром 33.5 мм.

При монтаже все замораживающие трубы перед опусканием подвергаются гидравлическому испытанию. После этого монтируют колонку и опускают ее в скважину, после этого производят контрольное испытание на водонепроницаемость стыков и всей системы в целом. Колонку заливают водой и герметизируют. Если уровень жидкости в течение пяти суток не снизится более чем на два сантиметра на каждые пятьдесят метров глубины, то колонки готовы к эксплуатации. После монтажа замораживающих колонок, обсадные трубы извлекаются, а пространство между колонкой и стенками скважины забучивается песком.

После оборудования замораживающих колонок приступают к монтажу рассольной сети. Для магистральных рассолопроводов применяют стальные трубы диаметром 219 мм. Для снижения теплопотерь рассолопровод укладывают на брусья в траншеи и изолируют. Питающие и отводящие трубы присоединяют одним концом к головке замораживающей колонки, а другим к распределителю и коллектору. После этого по параллельной схеме производим включение замораживающих колонок в рассольную сеть. Подключив замораживающую станцию к рассольной сети производят пробное включение. Если никаких неисправностей не обнаружено, то приступают к активному замораживанию.

За время работы станции, осуществляются следующие виды контроля:

- контроль за работой замораживающей станции;

- контроль за работой замораживающих колонок;

- контроль за процессом формирования ледогрунтового ограждения, который производится с помощью термо- и гидронаблюдательных скважин.

В случае обнаружения каких-то неполадок в системе, все неработающие элементы сразу же заменяются или ремонтируются, чтобы не допустить размораживания создавшегося ледогрунтового ограждения.

После достижения ледогрунтовым ограждением проектных размеров замораживающую станцию переводят на пассивный режим работы и приступают к ведению горнопроходческих работ по сооружению ствола.

2.8. Производство горно-строительных работ.

После создания ледогрунтового ограждения приступают к проходке ствола.

В зоне мягких пород разработка ведется вручную или отбойными молотками
МО-10. При пересечении крепких замороженных пород разработку ведут буро- взрывным способом. Шпуры бурят ручными перфораторами марки ПР-30К. Взрывные работы проводятся малыми заходками с максимальной осторожностью, чтобы не повредить ледогрунтовое ограждение и замораживающие колонки.

Погрузка породы производится экскаваторным рабочим органом на подвесном проходческом полке в бадьи объемом 1 м3, которые выдаются на поверхность и разгружаются в породные бункера.

После зачистки и проветривания забоя после взрыва приступают к возведению постоянной обделки.

В качестве обделки ствола используется сборная обделка из чугунных тюбингов. Монтаж тюбингов производится с помощью тельфера, подвешенного на проходческом полке. После сбора кольца обделки производят нагнетание цементно-песчаной смеси за обделку. Выполняются гидроизоляционные работы.

Гидроизоляция сборных тюбинговых обделок состоит в герметизации швов между элементами обделки, болтовых отверстий и отверстий для нагнетания.

Последовательность ведения гидроизоляционных работ в стволе с чугунной тюбинговой обделкой:

- проверка гидроизоляции болтовых отверстий;

- изоляция отверстий для нагнетания;

- чеканка швов между тюбингами.

Гидроизоляцию болтовых отверстий выполняют с использованием гидроизоляционных шайб ( асбобитумных или полимерных ), устанавливаемых при сболчивании тюбингов. Отверстия для нагнетания очищают и изолируют постановкой пробки с гидроизоляционной асбобитумной или пластмассовой шайбой.

Страницы: 1, 2, 3