тоннель мелкого заложения на вечномерзлых грунтах

Формула изобретения

1. Тоннель мелкого заложения, содержащий предварительно разработанную выемку, в которой размещена заглубленная полностью ниже естественной поверхности местности ограждающая несущая конструкция, ограничивающая полость, внутри которой расположена путевая конструкция, по которой осуществляется проезд транспорта, и грунт обратной засыпки, отличающийся тем, что при сооружении на вечномерзлых грунтах под путевой конструкцией уложен слой непучинистого грунта, при этом общая высота этого слоя от низа путевой конструкции до нижней поверхности выемки не меньше глубины сезонного протаивания, а над естественной поверхностью местности расположена грунтовая призма, ось которой совпадает с осью тоннеля, при этом определяют ширину В выемки поверху, общую ширину B_Н грунтовой призмы, высоту h_H грунтовой призмы на бровках, высоту h_M грунтовой призмы по оси сооружения из следующих соотношений:

В=b+2(h _T+h_П)·i₁, м;

В_H =В+2h_H·i₃, м;

h_H (h_CH+h_O), м;

где В - ширина выемки поверху, м;

b - то же понизу, м;

h_T - глубина сезонного протаивания, считая от низа путевой конструкции, по оси сооружения, м;

h_П - расстояние от низа путевой конструкции до естественной поверхности грунта, м;

i₁ - отношение горизонтальной проекции откоса выемки к вертикальной, i₁ 0 б/р;

В_Н - общая ширина грунтовой призмы, м;

h_H - высота грунтовой призмы на бровках, м;

i₃ - отношение горизонтальной проекции бокового откоса грунтовой призмы к вертикальной, i₃ k б/р;

h_CH - высота снежного покрова, м;

h_o - величина возможной осадки грунта насыпи обратной засыпки после уплотнения, м;

h_M - высота грунтовой призмы по оси сооружения, м;

m 2 - переходный коэффициент, учитывающий поперечный уклон местности, б/р;

i₂ - отношение горизонтальной проекции откоса верхней поверхности грунтовой призмы к вертикальной, i₂ 100 б/р;

h₃ - расстояние от верха ограждающей несущей конструкции до естественной поверхности местности, м, h₃ 0, м;

к=0,8-1,2 - коэффициент учета местных условий, б/р.

2. Тоннель мелкого заложения по п.1, отличающийся тем, что в пределах слоя непучинистого грунта расположен слой теплоизоляции, ширину b_T которого определяют из выражения

b_T=4h_T·k, М.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству подземных сооружений в районах распространения вечной мерзлоты с сильной снегозаносимостью.

Известна дорожная выемка на высокопрочных грунтах, содержащая балластную призму и опорный массив из замененного грунта (Г.Н.Жинкин, И.А.Грачев «Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот». М., УМК МПС России, 2000 г., с.34-38).

Недостаток этой выемки состоит в том, что в зимний период в условиях Заполярья она полностью заносится снегом.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является конструкция тоннеля мелкого заложения, сооружаемого открытым способом, содержащая предварительно разработанный котлован, в котором сооружают тоннельную конструкцию и грунт обратной засыпки («Руководство по проектированию, изготовлению и сооружению перегонных тоннелей метрополитена из цельносекционных обделок», ВНИИ транспортного строительства, М., 1978 г., с.50-51, рис.34).

Недостаток такой конструкции тоннеля заключается в том, что при использовании его в районах с вечномерзлыми грунтами может произойти деградация мерзлоты.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения стоимости строительства железных и автомобильных дорог на вечной мерзлоте в районах с сильным снегопереносом при сохранении грунтов основания в мерзлом состоянии.

Для достижения указанного технического результата в тоннеле мелкого заложения на вечной мерзлоте, содержащем предварительно разработанную выемку, в которой размещена заглубленная полностью ниже естественной поверхности местности ограждающая несущая конструкция, ограничивающая полость, внутри которой расположена путевая конструкция, по которой осуществляется проезд транспорта, и грунт обратной засыпки, под путевой конструкцией уложен слой непучинистого грунта, а над естественной поверхностью местности расположена грунтовая призма, ось которой совпадает с осью тоннеля, при этом основные параметры определяют из следующих соотношений:

где В - ширина выемки поверху, м;

b - то же, понизу, м;

h_т - глубина сезонного протаивания, считая от низа путевой конструкции, по оси сооружения, м;

h_П - расстояние от низа путевой конструкции до естественной поверхности, грунта, м;

i₁ - отношение горизонтальной проекции откоса выемки к вертикальной, б/р;

В_Н - общая ширина грунтовой призмы, м;

h _H - высота грунтовой призмы на бровках, м;

i ₃ - отношение горизонтальной проекции бокового откоса грунтовой призмы к вертикальной, б/р;

h_сн - высота снежного покрова, м;

h_o - величина возможной осадки грунта насыпи обратной засыпки после уплотнения, м;

h_M - высота грунтовой призмы по оси сооружения, м;

m 2 - переходный коэффициент, учитывающий поперечный уклон местности, б/р;

i₂ - отношение горизонтальной проекции откоса верхней поверхности грунтовой призмы к вертикальной, б/р;

h₃ - расстояние от верха ограждающей несущей конструкции до естественной поверхности местности, м;

k=0,8-1,2 - коэффициент учета местных условий, б/р.

Кроме того, в пределах слоя непучинистого грунта может быть расположен слой теплоизоляции, при этом ширину b_т теплоизоляционного слоя определяют из выражения

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображено поперечное сечение тоннеля на вечной мерзлоте в случае, когда верх несущей ограждающей конструкции расположен ниже естественной поверхности местности;

на фиг.2 изображено возможное предельное положение несущей ограждающей конструкции тоннеля, когда ее верх совпадает с естественной поверхностью местности.

Тоннель мелкого заложения на вечной мерзлоте содержит несущую ограждающую конструкцию 1 с полостью внутри, размещенную в выемке с боковыми поверхностями 2, нижней поверхностью 3 и верхней поверхностью 4, совпадающей с естественной поверхностью 5 местности, путевую конструкцию 6, расположенную над слоем непучинистого грунта 7, который в свою очередь расположен на нижней поверхности 3 выемки, грунт обратной засыпки 8 и грунтовую призму 9, расположенную на поверхностях 4 и 5.

Несущая ограждающая конструкция 1 в своей нижней части размещена в слое непучинистого грунта 7. Общая высота этого слоя от низа путевой конструкции до нижней поверхности 3 выемки должна быть не меньше глубины сезонного протаивания h_т. Путевая конструкция 6 может из себя представлять верхнее строение железнодорожного пути (шпальная решетка, рельсы) или полотно проезжей части для автопроезда. При этом внутренние размеры ограждающей несущей конструкции 1 должны обеспечивать требуемые габариты для осуществления проезда. Ограждающая несущая конструкция 1 может иметь различное очертание: круговое, прямоугольное, арочное и др. Внизу конструкция может быть не замкнута (арочное очертание). Но вверху конструкция должна быть закрыта. В пределах слоя 7 может быть расположена теплоизоляция 10 (например, пенопласт) для снижения величины h_т. При этом из условия предохранения от подтоков тепла с боков ширина теплоизоляционного слоя b_т должна назначаться равной не менее 4 h_T. Ширина «b» выемки понизу (т.е. поверхности 3) должна определяться из конструктивных и технологических соображений: возможности размещения несущей ограждающей конструкции 1 при уклонах «i₁» поверхностей 2 (i₁ - отношение горизонтальной проекции поверхности 2 к вертикальной), обеспечения минимального технологического зазора «а» между поверхностями 2 и несущей ограждающей конструкции 1, обеспечения требуемого h_т и др. При этом уклон i₁ по возможности устраивается наиболее крутым из условия минимальности объема котлована, объема грунта обратной засыпки 8, объема грунтовой призмы 9:i₁ 0.

Ширина «В» выемки поверху (поверхность 4) определяется из выражения

где h_п - расстояние от естественной поверхности 5 до низа путевой конструкции 6.

Грунтовая призма 9 должна возвышаться над снежным покровом 11. Основные ее размеры определяются из следующих зависимостей. Высота h _н призмы на ее бровках должна превышать снежные заносы h_сн на величину возможной осадки h_o грунта 8 обратной засыпки:

Высота h_м грунтовой призмы 9 в центре должна обеспечивать уклон i₂ для стока поверхностных вод (i₂ - отношение горизонтальной проекции откоса к вертикальной):

m - переходный коэффициент, учитывающий поперечный уклон местности; при горизонтальной поверхности m=2, при наличии поперечного уклона m>2.

Учитывая, что максимальная осадка грунта 8 обратной засыпки может быть где-то в четверти ширины В, верхняя поверхность грунтовой призмы 9 может быть выполнена не плоской с уклоном 1:i₂, а выпуклой (12), что позволит после проявления осадки не дать ей превратиться в вогнутую, при которой могут скапливаться поверхностные воды.

В пределах снежного покрова откос грунтовой призмы 9 должен быть как можно круче, исходя из устойчивости местного грунта в талом состоянии. Поэтому общая ширина В_Н грунтовой призмы 9 определяется из зависимости

где k - коэффициент учета местных условий, к=(0,8-1,2).

Позициями 13 и 14 показано положение верхней границы вечной мерзлоты на момент окончания теплого периода года соответственно до и после возведения сооружения. Если бы не были бы приняты меры, описанные выше в предлагаемом техническом решении, то произошло бы значительно большее протаивание (позиция 15), что неизбежно привело бы к деформациям сооружения с возможным нарушением эксплуатационной пригодности.

Данная конструкция предполагает тот случай, когда несущая ограждающая конструкция 1 полностью заглублена в грунт, т.е. h₃ 0.

Конструкция работает следующим образом. Новизна состоит в схеме обеспечения стабильности положения конструкции путем сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии. Первый источник поступления холода - это полость несущей ограждающей конструкции 1. Однако при большой длине подземного проезда охлаждающий эффект от поступления наружного воздуха (среднегодовая температура которого отрицательная) в полость резко снижается. Данная конструкция в основном предназначена для применения в регионах с сильным снегопереносом, где снег сдувается с возвышенных мест. Для использования этого эффекта устроена грунтовая призма 9, возвышающаяся над окружающим снежным покровом 11. Верхняя поверхность этой грунтовой призмы и в зимний, и в летний период оголена поэтому граничит непосредственно с наружным воздухом, среднегодовая температура которого отрицательная. Раз среднегодовая температура воздуха отрицательная, то в сумме за год в грунте тепловой баланс отрицательный, поэтому происходит сохранение мерзлоты.

Основная эффективность предлагаемой конструкции заключается в возможности в регионах с сильной снегозаносимостью при проектировании земполотна железных и автомобильных дорог использовать не только насыпи, но и тоннели (заменяющие выемки), что может существенно снизить общую стоимость дороги.