Металлические экраны и способ их изготовления из направляющих труб и основных элементов

1 Introduction/ Введение

В настоящее время при строительстве подземных транспортных сооружений под автомобильными дорогами или железнодорожными путями при невозможности остановки движения по ним используются различные технические решения. Применение данных решений позволяет сохранить целостность полотна автомобильной дороги или верхнего строения железнодорожного пути.

Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения его применения для строительства того или иного объекта. Учитывая, что для заказчика важными факторами являются стоимость и сроки строительства объекта, то изначально возникает вопрос, какое из существующих технических решений лучше применить, поскольку вариантов существует не так уж и много. Представляется, что выходом из сложившейся ситуации должно служить расширение альтернативных способов строительства, а также придание данным способам универсальности с целью возможности их применения в качестве готового решения.

Так одним из решений является метод снижения осадок земной поверхности с применением опережающих бетонных крепей, которые создают путем нагнетания быстротвердеющих составов в предварительно устроенные в забое выработки щелевые прорези [1]. При строительстве выработок метрополитена выполняют работы по опережающему креплению забоя фиберглассовыми анкерами и опережающему креплению кровли анкерами из труб [2]-[4].

Известна двухстадийная технология создания контурного ограждения эскалаторного тоннеля: закрепление грунтов методом струйной цементации через вертикальные скважины с дневной поверхности до границы кембрийских глин. При наличии препятствий на поверхности (инженерные сети, капитальные строения и т.п.) возможно использование наклонных скважин под углом до 60 градусов, на второй стадии осуществляется рассольное замораживание закрепленного грунтоцементного массива с целью создания противофильтрационного ограждения [5]-[6].

В основном данные решения используются при строительстве метрополитенов. Однако их применение высокозатратно и требует применения сложной техники и дорогостоящих материалов [7]-[9].

Одним из наиболее распространенных методов является устройство металлического защитного экрана, состоящего из труб или других элементов, устраиваемых по контуру будущего подземного сооружения. Данный способ позволяет проводить работы без нарушения несущего слоя, что особенно актуально при наличии слабых грунтов [10]-[12].

При строительстве подземных транспортных коммуникаций, которые залегают на относительно небольшой глубине от земной поверхности, проходят в слабых грунтах и имеют небольшую длину целесообразно применение защитного экрана [13]-[16].

Защитный экран используют либо как временную крепь, либо его включают в работу постоянной конструкции в качестве несущего элемента. Его применение позволяет предотвратить деформации и просадки поверхности несущего слоя, а также свести к минимуму влияние проводимых строительно-монтажных работ на городскую и транспортную инфраструктуру, обеспечить безопасность проведения строительных работ, предотвратить перерывы движения и какие-либо ограничения движения железнодорожного и автомобильного транспорта на участке строительства объекта [17], [18].

Широко применяется способ сооружения защитного экрана с помощью полых металлических элементов, в частности стальных, железобетонных труб, возможно изготовление труб из других материалов. Эти трубы вдавливают в грунт домкратной установкой, расположенной на поверхности земли или в котловане, при помощи замково-направляющего соединения трубы объединяются в защитный экран, полости внутри труб заполняют бетоном, затем из образовавшегося под защитным экраном контура извлекают грунт, и создают монолитную или сборную обделку. Данный способ имеет следующие недостатки:

• 1.    при бетонировании полости трубы, внутри трубы может образоваться пространство свободное от бетона, со временем происходит коррозия металлического элемента экрана, и его разрушение, что может привести к проседанию грунта и разрушительным последствиям;

• 2.    полые металлические элементы объединяют в защитный экран при помощи замковонаправляющего соединения, выполненного в виде образующих замок, приваренных на обращенных друг к другу поверхностях смежных металлических элементов экрана, один из которых выполнен С-образным в поперечном сечении, а другой выполнен в виде заведенной в него стенки с расположенным на свободной кромке уширением шириной, превышающей ширину створа С-образного элемента. При продавливании внутрь С-образного элемента замкового соединения могут попасть камни или другие твердые тела, при заведении в него второго элемента замково-направляющего соединения между ними может застрять камень или другое твердое тело и мешать или препятствовать дальнейшему продавливанию.

При строительстве транспортных сооружений, под автомобильными и железными дорогами применяют защитный экран, который создают путем ступенчатого продавливания труб, с последующей выемкой породы из продавленной секции и вырезки из нее продольной полосы на величину ступени продавливания очередной секции. Вырез осуществляют в пределах сектора 90÷120 градусов [19]. Для предотвращения деформаций в месте вырезанной продольной полосы приваривают ребра жесткости. Перед продавливанием очередную секцию заводят в упомянутый Pribylskaya, N.; Grechukhin, V.

Мetal shields and method of its construction from guide pipes and basic elements;

выше вырез. Каждая секция состоит из двух-трех труб с вырезанными секторами, соединенными друг с другом.

Данному защитному экрану не присущи недостатки предыдущего защитного экрана, основным недостатком данного варианта является работа человека в трубе, заключающаяся в удалении из нее породы, вырезку сектора трубы и осуществление сварочных работ [20]. Требованиями техники безопасности для таких случаев установлено ограничение минимального диаметра трубы, не менее 1.2 метров, что ведет к увеличению металлоемкости защитного экрана, а также к необходимости применения более мощного оборудования при производстве работ.

Известен способ возведения подземного туннеля с использованием защитного экрана и подземный туннель. При таком способе строительства защитный экран выполняется из желобообразных элементов, преимущественно в виде шпунтовых свай с открытыми полостями корытного, полукруглого или секторального (радиальный угол раскрытия от 90 до 180 градусов) поперечных сечений, направленными внутрь тоннеля и размещением в них монолитной железобетонной обделки, работающих совместно как единый несущий элемент, при этом к нижним граням желобообразных элементов защитного экрана перпендикулярно их оси с требуемым шагом по длине туннеля привариваются анкерные балки и устанавливаются боковые вертикальные стойки, что позволяет достичь поставленной технической задачи упрощения способа изготовления и конструкции подземного туннеля (защитного экрана, обделки), а также повышения экономической эффективности без снижения его прочности, деформативности [21].

Данный способ позволяет отказаться от использования труда человека в стесненном пространстве трубы, поэтому отпадает необходимость использовать трубы диаметра больше чем 1.2 метра, как следствие идет снижение металлоемкости процесса и появляется возможность применять менее мощное оборудование для выполнения продавливания.

Однако данный способ имеет следующие недостатки:

• 1.    геометрия полутруб, используемых в конструкции защитного экрана, а также секций из полутруб проигрывает геометрии труб. За счет уменьшения момента инерции конструкция становится менее устойчива к изгибам в продольном и поперечном направлении;

• 2.    секции из полутруб также недостаточно устойчивы к деформации кручения в поперечном направлении;

• 3.    не понятно, каким образом секции из полутруб будут крепиться между собой.

В качестве альтернативы, предлагается решение, техническим результатом которого является повышение устойчивости конструкции экрана к деформациям, что облегчает сооружение защитного экрана и увеличивает эксплуатационные нагрузки на защитный экран. Данный способ сооружения металлического защитного экрана позволяет максимально приблизиться к объекту строительства, обеспечить экономический эффект и безопасность строительно-монтажных работ при возведении подземного сооружения.

Указанный результат достигается за счет использования при сооружении защитного экрана направляющих труб и базовых элементов конструкции защитного экрана.

Базовый элемент сконструирован следующим образом: по бокам секции, сваренной из полутруб, с обеих сторон вдоль образующей приваривают трубы с вырезанным сектором своей внешней боковой поверхностью. Угол вырезанного сектора определяется расстоянием, на котором приварены направляющие уголки на направляющей трубе. Поверх данной конструкции с выпуклой стороны полутруб приваривают стальные полоски. Полоски приваривают зигзагообразно, количество полос и угол, под которым они приварены к направлению продавливания, зависят от длины секции защитного экрана. Ширину, на которую приваривают полоски, определяют таким образом, чтобы точка их сварки с боковыми трубами соответствовала их точке касания с этими трубами и была конечной точкой полоски.

Базовые элементы соединяют друг с другом при помощи замково-направляющего соединения. В замково-направляющее соединение входит направляющая труба с приваренными направляющими уголками и приваренные к секциям защитного экрана вдоль образующей с обеих сторон трубы с вырезанным сектором. Элементами замково-направляющего соединения могут быть полутрубы, которые привариваются вдоль направления продавливания, своей выпуклой боковой поверхностью вдоль образующей или вдоль разреза полутрубы, входящей в секцию защитного экрана. Диаметр полутруб составляющих замково-направляющее соединение должен быть больше диаметра направляющей трубы. Как вариант элементами замково-направляющего соединения могут выступать трубы кольцевого сечения. В последнем варианте с одной стороны секции защитного экрана приваривается труба кольцевого сечения с другой стороны труба Pribylskaya, N.; Grechukhin, V.

Мetal shields and method of its construction from guide pipes and basic elements;

кольцевого сечения с вырезанным сектором. Диаметр трубы кольцевого сечения с вырезанным сектором должен быть больше диаметра трубы кольцевого сечения, чтобы данная конструкция могла выступать замково-направляющим соединением.

При формировании защитного экрана, изображенного на рисунке 1, сначала продавливаются две направляющие трубы с технологическими окнами с возможностью продавить между ними базовый элемент, после чего добавляется следующая направляющая труба с технологическими окнами и следующий базовый элемент, этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет выстроена одна из секций защитного экрана, из которых сооружается защитный экран прямоугольной или сводчатой формы; затем из пространства под защитным экраном поэтапно извлекается грунт; по мере освобождения пространства под экраном, конструкция экрана укрепляется временными стальными опорами, в освобождающихся технологических окнах прокладывается арматура и ведутся сварочные работы; металлический каркас защитного экрана посредством арматуры объединяется с бетонной обделкой тоннеля, и по мере проходки тоннеля, поэтапно создается монолитная железобетонная обделка тоннеля [22].

Объект исследования – новое конструктивное решение металлического защитного экрана.

Предмет исследования – проверка надежности новой конструкции металлического защитного экрана.

Цель работы – предложить альтернативное инженерное решение по проектированию и технологии сооружения металлического защитного экрана при строительстве подземных транспортных сооружений.

Задача – на основе проведенных расчетов напряженно-деформированного состояния защитного экрана показать, что предлагаемая конструкция имеет достаточный запас прочности, устойчива к деформациям и ее использование при строительстве, например, подземных транспортных сооружений под железной дорогой, не повлечет просадок железнодорожного пути, требующих ограничения движения транспорта. Для сооружения экрана требуется менее мощное задавливающее оборудование, что, в том числе повлияет на стоимость и строки строительства объекта.

Рис. 1 – Металлический защитный экран Fig. 1 – Metal shields

• 2    Materials and Methods / Материалы и Методы

• 2.45 ⋅ 10⁸₂ выбранной нами стали. Результаты исследования показаны на рисунке 2.

В качестве основного критерия проверки работоспособности предложенного металлического защитного экрана принято напряженно-деформированное состояние, что показывает его жизнеспособность.

В расчете, проведенном с использованием программного продукта SolidWorks , была произведена проверка напряженно-деформированного состояния, вышеописанного решения [23], [24].

Расчеты показали, что максимальное напряжение, которое испытывают отдельные части верха конструкции, а именно, трубы с вырезанным сектором в местах соединения с направляющими трубами, по «П»-образным краям заходки, не превышает предел текучести:

8 Н

м ²

Рис. 2 – Результаты исследования напряженного состояния МЗЭ

Fig. 2 – Results of the study of the stress-strain behavior of pipe canopy elements

Максимальное вертикальное перемещение, которому подвержены отдельные части конструкции, а точнее, трубы с вырезанным сектором по середине продольного направления заходки, соответствует требованиям Правил технической эксплуатации железной дороги в Республике Беларусь, утвержденными постановлением Министерства транспорта и коммуникаций Республики Беларусь 25 ноября 2015 г. № 52, [25] и Инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути, утвержденной распоряжением ОТКРЫТОГО АКЦИОНЕРНОГО ОБЩЕСТВА «РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ», Москва, Россия от 14.11.2016 г. № 2288р [26], в части организации непрерывного движения поездов при проведении строительных работ. Ограничений скорости движения поездов на участке дороги, где ведутся строительные работы, не требуется. Результаты исследования показаны на рисунке 3.

Рис. 3 – Результаты исследования перемещений, возникающих в МЗЭ

Fig. 3 – Results of the study of movements in the pipe canopy

Размеры защитного экрана в сравнении с его размерами до нагружения изменились в допустимых пределах [27].

Для определения усилий продавливания были использованы методические указания Строительных норм Республики Беларусь СН 3.03.01-2019 [28] и Строительных правил СП 122.13330.2012. Тоннели железнодорожные и автодорожные России [29].

Были получены уравнения для определения расчетной нагрузки на верхнюю и боковые секции защитного экрана, которые складываются из давления грунта от веса насыпи и от подвижного состава железных дорог.

Уравнение для расчетной нагрузки на верхнюю секцию защитного экрана:

в р

23470 • (2.51 - y ) +

5.21 — У

Уравнение для расчетной нагрузки на боковые секции защитного экрана:

9807 +

P P = 7669 • ( 2.51 - y ) +

к

10787 e 0.1004 - 0.04 ; y

+

( 2.51 — У ) 2 ,

• 4.8995

5.21 — У

где у – глубина, на которой рассчитывается расчетная нагрузка на верхнюю и боковые секции защитного экрана.

При продавливании было учтено предельно допустимое давление на грунт. Чтобы начался процесс продавливания, давление на грунт должно превышать предельно допустимое. Так же необходимо преодолеть силу трения:

F _mp = p- N , где N — сила нормального давления, p - коэффициент трения.

В нашем случае сила нормального давления – это расчетная нагрузка на верхнюю и боковые секции защитного экрана соответственно. Так как расчетная нагрузка на верхнюю и боковые секции защитного экрана зависит от глубины, на которой продавливают элемент защитного экрана, силу нормального давления находим, интегрируя расчетную нагрузку по глубине заложения h.

h 1

Nв = ( Pp (h) ds(3)

h 2

, h1

Nб =j Pp (h) ds(4)

h 2

Получаем формулы для расчета силы трения:

h 1

FTp = P-i P (h)ds(5)

h 2

^F Tp = P- ] P p ( ^h ) ^ds

h 2

Параметры секции защитного экрана:

Секция защитного экрана состоит из полутруб диаметром D = 820 мм с толщиной стенок

S = 12 мм .

К секции с обеих сторон выпуклой боковой поверхностью приварены трубы с вырезанным сектором. Диаметр труб D = 820 мм с толщиной стенок S = 12 мм .

Параметры направляющей трубы и уголков:

Диаметр направляющей трубы D = 1020мм, толщина стенки S = 12мм, к ней приварены прокатные уголки: ширина полки уголка b = 100мм , толщина полки l = 12мм . Для сооружения металлического защитного экрана используются материалы и изделия, отвечающие требованиям технических нормативных правовых актов. кН

Удельный вес грунта: y n = 17.7— 3 .

м

Н

Металл: Сталь С245, предел текучести: 2.45 - 10 —2 .

м ²

Глубина заходки: L = 3.5 м

• 3    Results and Discussion / Результаты и Обсуждение

Усилия по продавливанию элементов защитного экрана были рассчитаны, используя программный продукт Mathcad .

Предельно допустимое давление на грунт: Р пр = 1 Па ;

коэффициент трения стали о грунт: k = 0.4

P г ( y , dh ) = 18054 - ( 2.51 - y - dh )                                (7)

в             176962

P ^{пс (} y, ) = ( 5.21 - y - dh )

,

_P Г ( y , dh ) = 5899 • ( 2.51 - y - dh )

,

P бс ( y , dh ) =

9807 +

I

e ».1004-0.04.( y + dh ^{) +} ( ₂.₅₁ _ y - dh ) ² ^ ( 5.21 - y - dh )

• 4.0829

.

р^в_г ( y , dh ) - давление на верх экрана со стороны грунта, Па ;

р ^в _пс ( y , dh ) - давление на верх экрана со стороны подвижного состава, Па ;

р б ( y , dh ) - давление на боковую поверхность экрана со стороны грунта, Па ;

р Пс ( y , dh ) - давление на боковую поверхность экрана со стороны подвижного состава, Па ;

dh – глубина относительно точки, м .

7                  ^

F_n1 ( r 1 , r ₂ , ^ 1 , Ф ₂,dh ) = k • r 1 • j P ^ ( r 1 • sin ( ^ ) , dh ) d p + k • r ₂ • j P ^ ( r ₂ • sin ( p ) , dh ) d p

^ 1                                ^

F _n 1 ( r 1 , r ₂ , ^ 1 , ^ 2 , dh ) - трение на внешнюю и внутреннюю боковую поверхность труб, полутруб, труб с вырезом.

r ₁, r ₂ – внутренний и внешний радиусы труб и полутруб.

L

F_{n 2} ( L , a , dh ) = k • j Р ^ ( l • sin ( a ) , dh ) dl                              (12)

0 ^,

L

F_n з ( L , a , dh ) = k • j P f ( l • sin ( a ) , dh ) dl                              (13)

F _{n 2} ( L , a , dh ) , F _{n 3} ( L , a , dh ) - трение о плоскую прямоугольную полосу.

F Hanp = F n 1 ( R 1 н , R 1 в ,0,2 • п ,0 ) + 2 • F n 2 ( L 1 , a 1 , R н • sin ( a 1 ) ) +

, ^R 1 н • ^sin ( ^a 1 ) ^{+ 2} • ^F n 2 ( L 1 7

, ^a 2 , ^R 1 н

• ^sin ( ^a 2 ) ) +

2 • F n 2

^

• sin ( ^a 2 ) + ² • F n 2 ( L 1

2 • F n 2

- £ 1 , a 1 , ( R 1 _н + 5 1 ) • sin ( a 1 ) - 5 1 • cos ( a 1 ) ) +

L 1 ^{- 5} 1 , -I - ^{- a} 1 I , ( R 1 н ^{+ 5} 1 ) • sin ( ^a 1 ) - ⁵ 1 • cos ( ^a 1 )

V V ²      7                                 7

+

² • ^F n 2 ( L 1 ^{- 5} 1 , ^a 2 , ( ^R 1 н ^{+ 5} 1 ) • ^sin ( ^a 2 ) - ⁵ 1 • ^cos ( ^a 2 ) ) +

r

L 1 ^{- 5} 1 , V

2 • F n 2

Г П i iLn о \       \ о         3

I 7- I ^a 2 I I , ( ^R 1 н ^{+ 5} 1 ) • ^sln ( ^a 2 ) ^{+ 5} 1 • ^cos ( ^a 2 )

^{V 2       7}                                  7

F _напр – сила трения, действующая на направляющую трубу;

R _{1 н} , R _{1 в} – внешний и внутренний радиусы труб;

• L ₁ – ширина полки уголка;

5 1 - толщина уголка;

a 1 , а ₂ - углы расположения уголков на направляющей трубе.

F Tp _ баз _ эл = 2 • F n 1 ( R 2 н , R 2 в , а , « 4 , dh ) + 3 • F_nl ( R _{2 н} , R _{2 в} ,0, п ,dh 2 ) +

• ¹⁶    • ^F n1 ( ^R пл ^{,0, a} mx , ^{п - a} mx , ^dh 3 ) ^ ^{А- 16} ‘ ^F n 1 ( R 2 h ^{,0, a} mn , ^{п - a} mn , ^dh 3 )- ^ ⁺ l_cl_c

  
  

• 16    • Р Г ( 0, dh 4 ) • a •- + 16 • Р Г ( 0, dh 4 - h ) • b •-

• lclc

F_т^в_{р _ баз _ эл} – сила трения, действующая на верхний базовый элемент;

R _{2 н} , R _{2 в} – внешний и внутренний радиусы труб;

R_пл – радиус фигурной полосы;

а з , а ₄ - углы расположения выреза в трубе;

dh ₁ – смещение оси трубы с вырезом по оси у относительно начала координат;

dh ₂ – смещение оси полутруб по оси у относительно начала координат;

dh ₃ – смещение центров окружностей круглых частей фигурной полосы по оси у относительно начала координат;

dh ₄ – смещение верхней поверхности прямой части фигурной пластины по оси у относительно начала координат;

• a _mn , ^a mx — углы верхней и нижней дуги фигурной полосы;

• А - ширина фигурной пластины;

• a , b – верхняя и нижняя части фигурной полоски.

F Hanp _ верх _ бок    F n1 ( R 1 н , R 1 в ,^0,2 • ^{п ,}0 ) + F n 2 ( L 1 , ^а 1 , R 1 н • sin ( а 1 ) ) +

F n 2

, R 1 н • ^sin ( « 1 ) ⁺ F n 2 ( L 1^{, a} 2 , R 1 н

• • ^sin ( ^а 2 ) ) +

  ^{( а} 2 ) ⁺ F n 2 ( L 1 - $ 1 , ^а 1 , ⁽ R 1 н ⁺ $ 1 ) • sin ( a ) - $ 1 • cos ( a 1 ) ) +

  
  

F n 2 L

V

( n

F n 2 L ^- $ 1 , -I- ^{- a} 1 I , ( R 1 н ⁺ $ 1 ) • ^sin ( ^a 1 ) ^- $ 1 • ^cos ( ^a 1 ) ⁺

V V ²      7                                   7

F n 2 ( ^L 1 ^- $ 1 , ^a 2 , ( R 1 н ⁺ $ 1 ) • ^sin ( ^a 2 ) ⁺ $ 1 • ^cos ( ^a 2 ) ) +

F n 2

L 1 - $ 1

V

, ⁽ 2 ^- Ы ^ , ( R 1 н ⁺ $ 1 ) • ^sin ( ^a 2 ) ⁺ $ 1 • ^cos

^{( a} 2 ) ⁺ F n2 ( L 1 ,

^a 5 , R 1 н • ^sin ( ^a 5 ) ) +      ⁽¹⁶⁾

F n 2

F n 2

F n 2

F n 2

L 1 ,

-

L 1 - $ 1

V

Г 7

V

(

L 1 ^- $ 1

V

( ^a 5 ) ⁺ F n 2 ( ^L 1 ^- $ 1 , ^a 5 , ( R 1 н ⁺ $ 1 ) • ^sin ( ^a 5 ) ^- $ 1 • ^cos ( ^a 5

( ^a 5 ) ⁺ F n 2 ( L 1 ^{, a} 6 , R 1 н • ^sin ( ^a 6 ) ) +

^{( a} 6 ) ⁺ F n 2 ( ^L 1 ^- $ 1 , ^a 6 , ⁽ R 1 7

1 н ⁺ $ 1 ) • sin ( ^a 6 ) ^- $ 1 • cos ( ^a 6 ) ) +

^, - ⁽ f ^- ^ б! 7 ^, ( R 1 н ⁺ $ 1 ) • sin ( a ) ⁺ $ 1 • cos ( a )

F_{напр _ верх _ бок} – сила трения, действующая на верхнюю боковую направляющую трубу; а ₅, а б - углы расположения уголков на направляющей трубе.

F Hanp _ ниж _ бок = F n1 ( R 1 н , « I в ,0,2 ■ П dh 5 ) + F n 2 ( L I , « 7 , R 1 н ' sin ( « 7 ) + dh 5 ) +

F n 2

L 1 ,

V

П

—

—

a ₇ I , R _{I н} • sin ( a ₇ ) + dh₅

/                    J

⁺ F n 2 ( L 1 , ^a 8 ,^R 1 н • ^sin ( ^a 8 ) ⁺ dh 5 ) ⁺

F n 2 ( L I ^{— 3} | , ^a 7 , ^{( R} 1 _н + 3 1 ) ■ sin ( a ₇ ) — 3 1 • cos ( a ₇ ) + dh 5 ) +

F n 2

^L 1

V

^{— 3} 1 , ^— V "2 ^{— a} 7 J , ^{( R} 1 н ^{+ 3} 1 )

■ sin ( a ) — 3 • cos ( a ?) + dh + J

F n 2 ( L I ^{— 3} i , a 8 , ( ^R 1 н ^{+ 3} 1 ) • ^sin ( a ₈ ) + ³ 1 • cos ( a ₈ ) + dh 5 ) +

F n 2

L i

V

—

3 1 ,

Г П     |I                                         I

I ~ ^— Ы I , ( ^R 1 н ^{+ 3} 1 ) • ^sin ( ^a 8 ) ^{+ 3} 1 • ^cos ( ^a 8 ) ^{+ dh} 5

V ²       J                                       J

+

F n 2 ( L I , ^a 9 , ^R 1 н • ^sin ( ^a 9 ) ^{+ dh} 5 ) ⁺

F n 2

L , I — — a₉ I , R_1h ■ sin ( a ₉) + dh₅ + V 2     ' ^н               J

F n 2 ( L i — 3 i , a 9 , ( R _{1 н} + 3 ₁ ) ■ sin ( a 9 ) + 3 ₁ ■ cos ( a 9 ) + dh₅ ) +

F n 2

L ₁

—

a 9 I , ( R 1 _н + 3 1 ) • sin ( a 9 ) + 3 1 • cos ( a 9 ) + dh₅

+

F n 2 ( L I , ^a io , ^R 1 н ■ ^sin ( ^a 10 ) ^{+ dh} 5 ) ⁺

F n 2 V L I , f ^— a io , ^R I н ■ sin ( a _w) + dh 5 J +

F n 2 ( L I ^{— 3} | , ^a I0 , ^{( R} I н ^{+ 3} I ) ■ sin ( a _I o ) + 3 _I ■ cos ( a _I o ) + dh₅ ) +

F n 2

— a ₁₀, ( R _{1 н} + 3 ₁ ) ■ sin ( a ₁₀ ) + 3 ₁ ■ cos ( a _w) + dh₅

F_{напр _ ниж _ бок} – сила трения, действующая на нижнюю боковую направляющую трубу; a ₇, a 8 , a ₉, a _I o - углы расположения уголков на направляющей трубе.

F Tp _ баз _ эл = ^F n1 ^{( R} 2 н , R 2 в , ^a 11 ’ ^a 12 ’ ^dh 6 ^{) + F} n1 V R 2 н , ^R 2 в , ^- 2’2’ dh 7 ) ⁺

F n i | R 2 н ’ R 2 в ’

^^^^^^^в

П П 1      (             П П I

У’У’ ^dh 8 \ + ^F n i I ^R 2 h ’ ^R 2 в ’ ^- уу dh 9 1 + ^F ni ⁽ R 2 h ’ R 2 в ’ ^a 13 ’ ^a 14 ’ ^dh 10 ^)-

mn d , ^a mn d

’ ^dh 8 ) ^y^- l_c

4 • F ni ( R 2 h ,0, -a

mn d , ^a mn d

’ ^dh 9 ) • У ^{- 4} • ^F n i ( ^R 2 h ’ 0’ 0’ ^a mn _ d ’ ^dh 10\~T + ll

• ⁴    • ^F n1 ^{( R} пл ’0’ ^a mn _ d ’0’ ^dh 6 ) ', ^{+ 4} • ^F n1 ^{( R} пл ’0’ ^a mn _ d ’ ^a mn _ d ’ ^dh 7 )A ⁺

ll

• ⁴    • ^F n1 ( R- пл ,0’ ^-a mn _ d ’ ^a mn _ d ’ ^dh 8 )'T + ⁴ ’ ^F n 1 ( ^R пл ’0’ ^-a mn _ d ’ ^a mn _ d ’ ^dh 9 )'T + l_cl_c

  4 • F „ i ( R„ Ma m, _ d . dh_i0 У + 4 • F n 3 l_c

  
  

  _-

  
  

  у + 4 • F n 3 1 a , l c            V

  
  

  _-

  
  

  +

  
  

  c

  
  

  4-F , n 3

  
  

  _-

  
  

  у ^{+ 4} • Fn 3 I a , l c            ¹

  
  

  _-

  
  

  T + 4 • Fn 3

  
  

  _-

  
  

  +

  
  

  + 4 • ^Fn 3 I a ,

  
  

  _-

  
  

  7- + 4 • F n 3

  
  

  _-

  
  

  ~T ^{+ 4} • F n 3 I a ,

  
  

  _-

  
  

  +

  
  

  c

  
  

  + 2 • 5 • Fn 3 I h_pi ’

  
  

  _-

  
  

c

F_т^б_{р _ баз _ эл} – сила трения, действующая на боковой базовый элемент;

a _ii’ a _i2 - углы расположения выреза в трубе;

dh ₆ – смещение оси трубы с вырезом по оси у относительно начала координат;

dh ₈ – смещение оси полутруб по оси у относительно начала координат;

dh ₉ – смещение центров окружностей круглых частей фигурной полосы по оси у относительно начала координат;

dh ₁₀ – смещение верхней поверхности прямой части фигурной пластины по оси у относительно начала координат;

• a _mn d .a mn d — Углы верхней и нижней дуги фигурной полосы;

• А - ширина фигурной пластины;

• a , b – верхняя и нижняя части фигурной полоски.

^F ниж _ тр = ^F ni ^{( R} 2 н ’ ^R 2 в . ^a 15 . ^a 16 ’ ^dh 20 )                             (19)

F_{ниж _ тр} – сила трения, действующая на нижнюю трубу с вырезанным сектором;

a _i5’ a ₁₆ - углы расположения выреза в трубе;

dh ₂₀ – смещение оси трубы с вырезом по оси у относительно начала координат.

F = Р S +F                             /оп\

1 пр напр напр                                        (20)

вв

F 2    P np ^s6a3 _ эл ^{+ г}тр _ баз _ эл

,

^F3   P np S Hanp _ верх _ бок + F Hanp _ верх _ бок

,

• F. =P           ' +F

F 4   P np S Hanp _ ниж _ бок + F Hanp _ ниж _ бок

, бб

F 5   P np ^Sбaз _ эл + ^Fmp _ баз _ эл

,

пр ниж _ тр ниж _ тр                              (25)

•

S _напр – площадь торца направляющей трубы;

S_б^в_{аз эл} – площадь торца верхнего базового элемента;

S _{напр _ верх _ бок} – площадь торца верхней боковой направляющей трубы;

S _{напр _ ниж _ бок} – площадь торца нижней боковой направляющей трубы;

S_б^б_{аз эл} – площадь торца бокового базового элемента;

S _{ниж _ тр} – площадь торца нижней трубы с вырезами;

Рис. 4 – График зависимости давления домкрата от длины продавливания

Fig. 4 – Graph of the dependence of the pressure of the jack on the length of punching

На рисунке 4 показаны усилия по продавливанию элементов защитного экрана.

Где k=0.4 – коэффициент трения стали о грунт, х–длина продавливания, м.,

• 1.   F1(x) – давление домкрата, требуемое для продавливания промежуточных

• 2.   F2(x) – давление домкрата, требуемое для продавливания верхних элементов секции

• 3.   F3(x) – давление домкрата, требуемое для продавливания боковых верхних

• 4.   F4(x) – давление домкрата, требуемое для продавливания боковых нижних

• 5.   F5(x) – давление домкрата, требуемое для продавливания боковых элементов секции

• 6.   F6(x) – давление домкрата, требуемое для продавливания трубы с вырезанным

направляющих труб верхней секции металлического защитного экрана;

металлического защитного экрана;

направляющих труб металлического защитного экрана;

направляющих труб металлического защитного экрана;

металлического защитного экрана;

сектором в нижней части металлического защитного экрана.

Максимальное давление домкрата необходимо для продавливания боковых нижних направляющих труб металлического защитного экрана. При продавливании нижних направляющих труб на 40 метров оно составляет F4(40) = 1643.2 Тонн-силы.

Расчеты показали, что при использовании базовых элементов мы прикладываем в 1.5 раза меньшее усилие, чем при продавливании секций из труб и труб с вырезанным сектором. Это показывают изложенные в данной статье результаты для защитного экрана из направляющих труб и базовых элементов и результаты, изложенные в статье [30] для секций из труб и труб с вырезанным сектором при одинаковых условиях продавливания. Следовательно, при производстве работ можно применять менее мощное оборудование.

• 4 Conclusions / Заключение

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод, что данное техническое решение является жизнеспособным. Защитный экран:

• 1.    предотвращает деформацию и просадку поверхности;

• 2.    минимизирует влияние строительно-монтажных работ на городскую и транспортную инфраструктуру;

• 3.    для сооружения защитного экрана необходимо использовать менее мощное оборудование для задавливания направляющих труб и базовых элементов, что ведет к снижению себестоимости строительства и уменьшению его продолжительности.

Если сравнивать данный способ с открытым способом строительства тоннелей, то по себестоимости затраты по сооружению защитного экрана соизмеримы с затратами на крепление вертикальных стен котлованов. Для крепления в качестве свай используют стальные балки двутаврового сечения, трубы, а также железобетонные или бетонные (буронабивные) сваи. При строительстве подземных транспортных коммуникаций закрытым способом с использованием защитного экрана под автодорогами не нужно нести затраты по строительству временных объездных дорог. При закрытом способе строительства нет необходимости восстанавливать разрушенную инфраструктуру сооружений и вести работы по благоустройству прилежащей территории, что также сокращает финансовые затраты. При строительстве закрытым способом перерывов движения и каких-либо ограничений движения железнодорожного и автомобильного транспорта на участке строительства объекта не требуется.