КЛЮЧЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕГМЕНТНОЙ ОБЛИЦОВКИ

Сегментная обделка
1.         Сегмент — сборный железобетонный элемент обделки
2.         Кольцо — полное кольцо, состоящее из сегментов
3.         Болты или соединительные элементы
4.         Противолежащий (смежный с замковым) сегмент
5.         Замковый сегмент
6.         Передняя кромка: край, расположенный ближе всего к тоннелепроходческому комплексу (ТПК)
7.         Задняя кромка: край, примыкающий к предыдущему
8.         кольцу

КЛЮЧЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕГМЕНТНОЙ ОБЛИЦОВКИ

Кольцевой стык — стык между кольцами. Передний край — кольцевой стык, расположенный ближе всего к передней части тоннелепроходческого комплекса (ТПК). Задний край — кольцевой стык, расположенный дальше всего от передней части ТПК. Продольный стык — стык между сегментами одного и того же кольца. Контактная поверхность — участки стыка, соприкасающиеся со смежным сегментом. Болты и штифты — элементы, соединяющие сегменты.

СУЖЕНИЕ КОЛЬЦА

Кольца имеют коническую форму в плане.
Прямые выравнивания - чередующиеся конические выравнивания. Изогнутые выравнивания - конические выравнивания обеспечивают изгиб. Другие изгибы - комбинация.

TAPER — УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЬЦА: ЕДИНСТВЕННЫЙ ТИП КОЛЕЦ
? НАИБОЛЕЕ ТОЛСТАЯ ВНИЗУ (НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЙ ВАРИАНТ)
? КОНУС С ОДНОЙ СТОРОНЫ
? КОНУС НА КЛЮЧЕ НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ
ПРОЩЕ В УПРАВЛЕНИИ (НЕ ТРЕБУЕТСЯ СМЕНА ТИПОВ НА ПОДАЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ СЕЗОНОВ)
НЕОБХОДИМО ИЗГОТОВЛЯТЬ КЛЮЧ ПОД ОСЬЮ ЧАЩЕ

Конусность позволяет обделке проходить кривые участки. Обделка должна следовать за проходческим щитом (TBM).
Поэтому стандартный процесс проектирования выглядит следующим образом:
?          Определить минимальный радиус трассы (следует учитывать, что он может представлять собой комбинацию горизонтальных и вертикальных кривых).
?          Выбрать минимальный расчетный радиус для тоннелепроходческого комплекса (ТПК).
?          Выбрать минимальный расчетный радиус для сборной обделки (несколько меньше, чем для ТПК).
?          Минимальный расчетный радиус < 0,8 ? минимальный радиус трассы. Сужение (конусность) обычно предусматривается с обеих сторон: слева/справа, сверху/снизу или по всему периметру (универсальное решение).

ТОЛЩИНА, ДЛИНА И СИСТЕМА СЕГМЕНТАЛЬНОГО КОЛЬЦА

Рекомендация по толщине дается в формате отношения внутреннего диаметра тоннеля (ВД) к толщине обделки и находится в пределах от 18 до 25 для тоннелей с ВД более 5,5 м и от 15 до 25 для тоннелей с ВД от 4 до 5,5 м. Длина кольца 1,5 м рекомендуется для туннелей диаметром от 6 до 7 м; длина кольца увеличивается до 2 м для туннелей диаметром более 9 м.
На этапе анализа и проектирования несущая способность секции обделки выбранной толщины должна быть достаточной, если коэффициент поперечной арматуры составляет менее 1 процента и близок к минимальной арматуре (AFTES:2005). Минимальная толщина стенки сегмента должна удовлетворять условиям, налагаемым контактными соединениями, таким как достаточная площадь опорной поверхности и достаточное пространство и свободное расстояние для углублений сегмента. Минимальная толщина стенки сегмента должна быть совместима с площадью опорной поверхности цилиндров продольной тяги TBM (AFTES:2005). Для обеспечения надежной конструкции толщина сегмента должна соответствовать всем требованиям с дополнительным запасом на случай непредвиденных нагрузок, особенно если установлены уплотнительные прокладки. Помимо конструктивных факторов, толщина обделки также рассчитывается с учетом долговечности: DAUB:2013 рекомендует минимальную толщину 12 дюймов (300 мм) для однопроходной обделки туннелей.
Текущая практика заключается в использовании кольца длиной 5 футов (1,5 м) для туннелей TBM диаметром от 19 до 23 футов (6–7 м) и кольца длиной 6 футов (1,8 м) для туннелей диаметром от 23 до 30 футов (от 7 до 9 м). Когда для земляных работ используется ТБМ размером более 30 футов (9 м), наиболее распространенная длина кольца составляет 6,5 футов (2 м). В недавних проектах большого диаметра были использованы преимущества колец длиной 7,2 фута (2,2 м) за счет оптимизации толщины сегментной футеровки.
Гибкость сегмента туннеля (?), определяемая как соотношение ширины или изогнутой длины сегмента вдоль его центроида и его толщины, является ключевым параметром длины сегмента. Обзор проектов туннелей показывает, что кольца разделены на такое количество сегментов, которое обеспечивает гибкость сегмента от 8 до 13, при этом сегменты из фибробетона (FRC) находятся вокруг нижней границы этого диапазона. Однако благодаря использованию новейших волоконных технологий и высокопрочных бетонных материалов часто используются сегменты FRC с коэффициентом гибкости 10. Последние разработки показывают успешное использование сегмента FRC с гибкостью более 10 и до 12–13 в некоторых недавних проектах.
В туннелях диаметром менее 13 футов (4 м) кольцо можно легко разделить на меньшее количество сегментов, но разделение колец на шесть сегментов все еще более распространено. Обычно эти конфигурации используются, когда ключевой сегмент оказывается слишком маленьким в конфигурации 5+1. Для туннелей диаметром от 26 до 36 футов (от 8 до 11 м) наиболее распространенной является конфигурация 7+1, а также конфигурация 6+2. Однако, когда диаметр туннеля колеблется от 20 до 26 футов (от 6 до 8 м), конфигурация 5+1 может привести к чрезмерно длинным сегментам, а конфигурация 7+1 — к слишком коротким сегментам. Для туннелей длиной более 46 футов (14 м) наиболее распространенной конфигурацией является конфигурация 9+1 с ключами как маленького, так и большого размера.

СЕГМЕНТНЫЕ УПЛОТНИТЕЛИ ДЛЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ

В ??качестве материала для сегментных уплотнителей рекомендуется использовать резиновые смеси на основе этилен-пропилен-диенового каучука (EPDM), которые пришли на смену ранее применявшимся хлоропреновым уплотнителям. Материалы на основе EPDM обеспечивают срок службы более 100 лет и являются наиболее подходящим решением — как с экономической, так и с технической точки зрения — для эксплуатации в различных климатических условиях и в контакте с грунтовыми водами разного химического состава. Для обеспечения проектных характеристик уплотнитель должен соответствовать ряду специфических требований, гарантирующих его надлежащее функционирование. Одним из таких параметров является твердость резиновой смеси: стандарт BS PAS 8810:2016 устанавливает максимальное значение твердости по Шору (согласно ASTM D2240) на уровне 75 единиц, в то время как рекомендации STUVAtec:2005 и AFTES:2005 допускают максимальную твердость 85 единиц. К числу других важных характеристик относятся предел прочности при растяжении и относительное удлинение (согласно ASTM D412) — их рекомендуемые значения составляют более 1700 фунтов на кв. дюйм (12 МПа) и более 300% соответственно.

Сегодня, благодаря развитию технологий и уменьшению взаимного смещения соседних сегментов (достигаемому за счет более точного их монтажа внутри тоннелепроходческого комплекса), при использовании стандартного моноэкструдированного уплотнительного профиля из EPDM часто удается обеспечить водонепроницаемость при давлении до 10 бар. Для условий с более высоким давлением воды применяются комбинированные уплотнения, сочетающие две различные технологии: сжимаемый профиль из EPDM и гидрофильный уплотнительный элемент.

УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ ПРОКЛАДКИ ДЛЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ СЕГМЕНТОВ

Релаксация прокладки и коэффициент запаса — для обеспечения долгосрочной эксплуатационной надежности после завершения строительства крайне важно, чтобы профиль прокладки и состав резиновой смеси сохраняли расчетное усилие противодействия, достаточное для того, чтобы выдерживать воздействие давления воды даже спустя годы после монтажа. Основная часть релаксации происходит в первые месяцы после установки. Большинство технических требований предусматривают сохранение остаточного напряжения сжатия на уровне не менее 60% по истечении 100 лет. Это означает, что минимальный коэффициент запаса для профилей прокладок составляет 1,67 (1 / 0,60 = 1,67). С учетом эффектов релаксации резины и проектного срока службы большинства тоннелей (от 100 до 125 лет) рекомендуется принимать коэффициент запаса, равный 2, чтобы гарантировать способность прокладки выдерживать расчетное давление в долгосрочной перспективе.

Допуски и проектирование с учетом требуемого зазора/смещения —

ОБЩАЯ КОМПОНОВКА СЕКЦИИ

ЧЕРТЕЖИ СЕГМЕНТНЫХ ФОРМ

ЗАВОД ПО СЕГМЕНТНОМУ ЛИТЬЮ

Определяющие расчетные случаи и коэффициенты нагрузок

В современной практике тоннелестроения при проектировании сборной тоннельной обделки учитываются следующие расчетные случаи, возникающие на этапах изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации:
a) Этапы производства и переходные стадии
1.)Извлечение сегментов (распалубка)
2.)Хранение сегментов
3.)Транспортировка сегментов
4.)Перемещение сегментов

b) Этапы строительства
1.)Усилия домкрата тоннелепроходческого комплекса (ТПК)
2.)Давление обратной цементации хвостовой обшивки
3.)Локализованное давление обратной цементации (вторичная цементация)

c) Этапы оказания услуги
1.)Давление грунта, давление грунтовых вод и приложенные внешние нагрузки
2.)Нагрузка, вызывающая раскрытие продольных стыков
3.)Нагрузки, возникающие вследствие дополнительных деформаций
4.)Прочие нагрузки (например, сейсмические воздействия; нагрузки при пожаре или взрыве; нагрузки, передающиеся от верхнего тоннеля на нижний при их взаимном расположении друг над другом; аэродинамические нагрузки; механические и электрические нагрузки; нагрузки от железнодорожного транспорта; температурные воздействия; а также нагрузки, возникающие в процессе монтажа сборных тоннельных колец)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ И ПЕРЕХОДНЫХ ЭТАПОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭТАПОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

К строительным нагрузкам относятся усилия, передаваемые проходческим щитом (тоннелепроходческим комплексом) на стыки между элементами обделки, а также давление, возникающее при нагнетании строительного раствора в пространство за обделкой. Сборные железобетонные сегменты рассчитаны на восприятие значительных растягивающих напряжений, вызывающих растрескивание и отколы бетона в зоне кольцевых стыков при продвижении проходческого щита.

Усилия от домкратов тоннелепроходческого комплекса

После сборки полного кольца тоннелепроходческий комплекс (ТПК) продвигается вперед, опираясь на только что смонтированное кольцо. В процессе этого движения домкраты ТПК давят на специальные распределительные плиты (накладки), расположенные вдоль открытого кольцевого стыка. Под этими плитами возникают высокие напряжения сжатия, которые, в свою очередь, приводят к появлению значительных растягивающих напряжений (напряжений разрыва) в глубине сегмента. Кроме того, между соседними распределительными плитами вдоль кольцевого стыка действуют растягивающие усилия, вызывающие отколы бетона. После того как для конкретных грунтовых условий определено необходимое суммарное усилие подачи ТПК, среднее усилие на одну пару домкратов рассчитывается путем деления этого суммарного усилия на количество пар домкратов. При прохождении кривых малого радиуса усилие подачи со стороны выпуклой части кривой оказывается выше, чем со стороны вогнутой; это повышенное усилие должно быть учтено при проектировании. Для расчета и проектирования в данном случае применяются различные методы, включая формулы ACI 318 для определения напряжений разрыва, рекомендации DAUB (2013), методику Иенгара (Iyengar, 1962), а также двух- и трехмерное моделирование методом конечных элементов.

Давление при нагнетании состава за хвостовую оболочку
Между грунтом и обделкой тоннеля образуется зазор (полость). В рамках данного расчетного случая выполняется нагнетание за обделку (заполнение кольцевого пространства) полужидкими составами под высоким давлением. Это необходимо для контроля и ограничения осадок земной поверхности, а также для обеспечения плотного контакта между кольцом обделки и грунтом. При таком расчете обделка рассматривается в поперечном сечении (перпендикулярно продольной оси тоннеля) и моделируется как сплошное кольцо, жесткость которого на изгиб уменьшена с учетом податливости стыков между сегментами. Поскольку на данном этапе обделка полностью окружена свежим полужидким составом, взаимодействие между кольцом и грунтом не учитывается. Нагрузка от нагнетания состава моделируется путем приложения радиального давления, которое линейно изменяется от минимального значения в своде тоннеля до максимального в его лотке. Единственными нагрузками, действующими на тоннель в этом случае, являются собственный вес обделки и давление нагнетаемого состава.

Для обеих нагрузок рекомендуется применять коэффициент нагрузки 1,25 (согласно ACI 544.7R). Расчет выполняется с использованием стандартных программных комплексов для строительного проектирования. Показано, что при таком сочетании нагрузок в сегментной обделке тоннеля могут возникать значительные осевые силы и небольшие изгибающие моменты. Сборные сегменты проектируются с учетом совместного действия максимальных изгибающих моментов и осевых сил.

Давление при локальном нагнетании раствора за обделку (вторичное нагнетание)
Обрушение неустойчивого грунта в кольцевой зазор может привести к значительным осадкам. В связи с этим данный метод в настоящее время применяется преимущественно для вторичного нагнетания раствора при проходке тоннелей с использованием щитов с герметичным забоем. Для моделирования эффектов вторичного нагнетания рассматривается расчетный случай, включающий нагрузки, приложенные к сегментам обделки с целью проверки заполнения кольцевого зазора; это аналогично методу нагнетания раствора через хвостовую часть щита, при котором используется только одна из инъекционных трубок. Данный расчетный случай может быть смоделирован в соответствии с рекомендациями рабочей группы № 2 Международной тоннельной ассоциации (ITA WG2). На представленном рисунке давление вторичного нагнетания приложено к участку обделки, составляющему одну десятую часть ее периметра (в сводовой части).

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЛЯ ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫХ ЭТАПОВ ОБСЛУЖИВАНИЯ

Заключительные этапы эксплуатации представлены долговременными нагрузками, воздействующими на облицовку со стороны...
•          грунт;
•          грунтовые воды;
•          внешние нагрузки;
•          передача кольцевых усилий вдоль продольных
•          стыков между сегментами;
•          дополнительные деформации;
•          землетрясение;
•          пожар;
•          взрыв;
•          влияние соседних тоннелей;
•          продольные
•          изгибающие моменты.

Давление грунта, грунтовые воды и приложенные нагрузки

Влияние грунта, грунтовых вод и приложенных внешних нагрузок на сегменты анализируется с использованием упругих уравнений, балочно-пружинных моделей, метода конечных элементов (МКЭ) и метода дискретных элементов (МДЭ).

Нагрузка на разрыв продольных швов
Нормальные (кольцевые) силы, возникающие в сечении из-за постоянного давления грунта и грунтовых вод, передаются через уменьшенную площадь поперечного сечения по продольным швам, где присутствуют прокладки и канавки для снятия напряжений. Отслоение не является проблемой для продольных швов, поскольку этот вид разрушения неприменим, когда продольные швы полностью контактируют с соседними элементами, за исключением случаев учета эксцентриситета соседних сегментов. Тем не менее, вдоль продольных швов могут возникать разрывные растягивающие напряжения, аналогичные нагрузкам от домкратного воздействия тоннелепроходческого комплекса на кольцевые швы. Проектирование осуществляется для максимальной расчетной силы сжатия в пределах предельного состояния.

Нагрузки, обусловленные дополнительной деформацией
Такая дополнительная деформация может возникнуть в процессе сборки сегментов под действием их собственного веса — вследствие таких факторов, как несоосность стыков, податливость соединительных элементов или избыточное давление при нагнетании раствора. Кроме того, деформация может быть вызвана подвижками грунта, связанными со строительством соседнего тоннеля. Под дополнительной деформацией понимается разность перемещений тоннеля на уровне его горизонтального диаметра (с левой и правой сторон) либо в своде и лотке. Некоторые ведомства (например, LACMTA в 2013 г. и LTA в 2010 г.) требуют учитывать эту дополнительную деформацию при проектировании. В частности, согласно требованиям LACMTA, необходимо предусмотреть дополнительную деформацию диаметра в размере не менее 0,5% от его величины (учитывая возможные неточности при монтаже обделки), а требования LTA предусматривают дополнительную деформацию диаметра в пределах ±5/8 дюйма (15 мм) — с учетом возможных изменений в прилегающей к тоннелю зоне в будущем.

Раскрытие стыков («эффект птичьего клюва»)

Помимо эксцентриситета приложения сил (MIN) и площади передачи нагрузки (контактные площадки/ступени), в технических требованиях к проекту иногда предусматривается учет дополнительного эксцентриситета, возникающего вследствие овальности кольца и неточности его сборки. Такое расчетное состояние называют овальностью кольца, вызванной отклонениями при монтаже, или «эффектом птичьего клюва» (англ. *birds mouthing*). Методика расчета предполагает, что при сборке кольцо приобретает эллиптическую форму, при этом длина хорды смещенного сегмента остается неизменной. Учитывается допустимое отклонение от круговой формы по диаметру (например, 15 мм [0,6 дюйма]). Выполняется расчет поворота и величины раскрытия стыков; суммарный поворот стыка приводит к его раскрытию («эффекту птичьего клюва»). Смыкание стыка под действием минимальных/максимальных нагрузок, возникающих при контакте сегментов (на их внутренней и внешней поверхностях), оценивается путем определения усилия, необходимого для закрытия зазора, с последующим сравнением этого усилия с кольцевым сжимающим усилием, обусловленным контактными нагрузками. В зависимости от того, остается ли стык открытым или закрытым, для расчета эксцентриситета, вызванного «эффектом птичьего клюва», применяется одна из двух схем, представленных в документации.

Двухконусные соединительные элементы (биконусы) предотвращают взаимное смещение колец при их монтаже в процессе строительства, а также поглощают энергию в тех случаях, когда обделка тоннеля частично разгружается (например, при устройстве проемов) или когда возникают кратковременные пиковые нагрузки в исключительных ситуациях. Биконусы предназначены для применения в зонах сопряжения тоннеля с другими выработками: поперечными сбойками, порталами, вентиляционными или лифтовыми ходками. Несмотря на то что для подобных целей в ряде случаев могут использоваться и другие решения — анкеры, стальные соединители или шпонки, — биконусы представляют собой наиболее технически совершенный вариант, который в настоящее время получил широкое распространение.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ

Проверка по предельным состояниям второй группы (SLS) для сегментов тоннельной обделки — Расчет сегментов тоннельной обделки по предельным состояниям второй группы (SLS) выполняется с учетом различных видов и сочетаний нагрузок, действующих на конструкцию — от момента изготовления до завершающего этапа эксплуатации. При формировании сочетаний нагрузок для SLS применяются соответствующие коэффициенты надежности (коэффициенты сочетания), которые для нагрузок в рамках SLS зачастую принимаются равными 1,0.
Проверка напряжений — Критические напряжения в сегментах при расчете по SLS определяются для сочетания максимальных изгибающих моментов и соответствующих им осевых сил. В нормативных документах по проектированию конструкций установлены предельные значения сжимающих напряжений во избежание образования микротрещин, которые могут привести к снижению долговечности. Согласно стандарту JSCE 2007, максимальные сжимающие напряжения в железобетоне (ЖБ) и фибробетоне (ФБ) при расчете по SLS ограничены величиной 0,4fc‘, а согласно стандартам BS EN 1992-1-1, AFTES-WG7 и MC2010 — величиной 0,6fc‘. В свою очередь, растягивающие напряжения в арматурных стержнях ограничены: согласно JSCE 2007 — определенным предельным значением, а согласно BS EN 1992-1-1 и MC2010 — величиной 0,8fy. В рекомендациях AFTES-WG7 для растягивающих напряжений в арматуре установлены пределы: 34,8 ksi (240 МПа) — для случаев, когда трещины могут нанести вред конструкции, и 29 ksi (200 МПа) — для случаев, когда трещины могут нанести существенный вред.
Проверка деформаций —
Проверка трещиностойкости — Среди возможных трещин, возникающих в сегментах под воздействием эксплуатационных нагрузок, преобладают трещины, вызванные изгибающими моментами и осевыми силами. Проверка трещиностойкости заключается в подтверждении того, что ширина раскрытия трещин от изгиба не превышает допустимого значения.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Тоннели, будучи важными подземными сооружениями, как правило, проектируются со сроком службы более 100 лет. Долговечность тоннеля напрямую зависит от долговечности бетонных сегментов, которые выполняют функции как первичной крепи, так и постоянной обделки. К основным процессам разрушения, вызванным внешними факторами, относятся коррозия арматуры (вследствие воздействия хлоридов или карбонизации), а также воздействие сульфатов и кислот. Также рассматриваются такие явления, как реакция щелочей цемента с заполнителями (внутренняя химическая реакция) и повреждения, вызванные воздействием мороза, в частности циклами замораживания и оттаивания. Коррозия, провоцируемая блуждающими токами, представляет собой одну из главных угроз долговечности, характерных именно для обделок железнодорожных тоннелей и тоннелей метрополитена. В работе представлены методы борьбы с коррозией от блуждающих токов — в том числе использование сегментов из фибробетона — и анализируется долговечность сегментов в условиях сочетанного воздействия различных факторов, включая блуждающие токи.

Типичные механизмы деградации тоннельных обделок
•          Коррозия арматуры, вызванная воздействием хлоридов
•          Коррозия арматуры, вызванная карбонизацией
•          Сульфатная агрессия
•          Кислотная агрессия
•          Реакция между щелочами цемента и заполнителем
•          Воздействие мороза и повреждения вследствие циклов замораживания-оттаивания
•          Коррозия, вызванная блуждающими токами, в сборной тоннельной обделке (этот вид коррозии характерен для железнодорожных тоннелей: тяговые токи провоцируют ускоренное окисление металлов и интенсивную миграцию хлорид-ионов — согласно классификации Рабочей группы ITA по техническому обслуживанию и ремонту подземных сооружений, 1991 г.)