тоннель мелкого заложения на вечной мерзлоте

Формула изобретения

1. Тоннель мелкого заложения, содержащий предварительно разработанную выемку, в которой размещена частично заглубленная 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 вечной мерзлоте он содержит продольную насыпь, ось которой совпадает с продольной осью тоннеля и которая в поперечном сечении представляет собой сочетание трапеции и расположенного над ней треугольника, причем основание треугольника совпадает с верхним основанием трапеции, а ограждающая несущая конструкция расположена в пределах массива продольной насыпи и массива грунта обратной засыпки ниже естественной поверхности местности с возможностью частичного выхода вверх по высоте за пределы указанных массивов, при этом под путевой конструкцией расположен слой непучинистого грунта, общая высота которого от низа путевой конструкции до нижней поверхности выемки не меньше глубины сезонного протаивания, при этом определяют ширину В поверху выемки, образованной для размещения ограждающей несущей конструкции, высоту h_H трапеции составной части продольной насыпи, максимальную высоту h_M грунтовой насыпи по оси проезда, ширину B_В верхнего основания трапеции грунтовой насыпи, общую ширину B_Н грунтовой насыпи из следующих соотношений:

B=b+2(h_m+h_n)·i₁, м;

h_H (h_CH+h_O), м;

В_H=В_B+2h_H·i ₃, м;

В_B=Д+2в_б, м,

где В - ширина поверху выемки, образованной для размещения ограждающей несущей конструкции, м;

b - то же понизу, м;

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

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

i₁ - поперечный уклон (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) боковых сторон выемки, i₁ 0 б/р;

h - высота части ограждающей несущей конструкции, контактирующей с находящимся сбоку грунтом подземной части, т.е. ниже уровня естественной поверхности местности и в пределах продольной насыпи, h 0,5H, м;

Н - полная высота ограждающей несущей конструкции, м;

h_H - высота трапеции (составной части продольной насыпи), м;

h_CH - высота снежного покрова, м;

h_o - возможная осадка грунтовой насыпи в результате уплотнения грунта, м;

h_M - максимальная высота грунтовой насыпи (по оси проезда), м;

В_В - ширина верхнего основания трапеции грунтовой насыпи, м;

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

i₂ - поперечный уклон (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) верхней поверхности продольной насыпи, i₂ 100 б/р;

В_б h_б, м;

В_б - расстояние от точки пересечения ограждающей несущей конструкции на уровне естественной поверхности местности до перпендикуляра, опущенного на эту поверхность из края верхнего основания трапеции, м;

h_б - расстояние по вертикали от точки пересечения ограждающей несущей конструкции с естественной поверхностью местности до верхней поверхности продольной насыпи, м;

i₃ - поперечный уклон (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) боковых сторон трапеции грунтовой насыпи, i₃ к, б/р;

к - коэффициент учета местных условий, к=(0,8-1,2);

В_Н - общая ширина грунтовой насыпи, м;

Д - ширина ограждающей несущей конструкции в уровне естественной поверхности местности, м.

2. Тоннель по п.1, отличающийся тем, что в пределах слоя непучинистого грунта расположен слой теплоизоляции, ширина bт которого определяется из выражения

b_T=4h_T·к,

3. Тоннель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в местах оленепрогона над продольной насыпью и над возвышающейся над грунтом ограждающей несущей конструкцией расположена поперечная насыпь для оленепрогона, основные параметры которой определяются из следующих соотношений:

h_B h , м;

i₄ 5;

h_B - толщина засыпки над несущей конструкцией, м;

h - величина, определяемая условиями распределения сосредоточенной нагрузки над несущей конструкцией, м;

i ₄ - продольный уклон, поперечный по отношению к оси тоннеля, верха поперечной насыпи для оленепрогона, б/р.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству 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).

Недостатком этой выемки является то, что она в зимний период в условиях Заполярья 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 тоннель мелкого заложения на вечной мерзлоте, содержащий предварительно разработанную выемку, в которой размещена частично заглубленная ниже естественной поверхности местности ограждающая несущая конструкция, ограничивающая полость, внутри которой расположена путевая конструкция, по которой осуществляется проезд транспорта, и грунт обратной засыпки, содержит продольную насыпь, ось которой совпадает с продольной осью тоннеля и которая в поперечном сечении представляет собой сочетание трапеции и расположенного над ней треугольника, причем основание треугольника совпадает с верхним основанием трапеции, а ограждающая несущая конструкция расположена в пределах массива продольной насыпи и массива грунта обратной засыпки ниже естественной поверхности местности с возможностью частичного выхода вверх по высоте за пределы указанных массивов, при этом под путевой конструкцией расположен слой непучинистого грунта, а основные параметры определяются из следующих соотношений:

B=b+2(h_m+h_n )·i₁, м;

i₁ 0;

h 0,5H, м;

h_H (h_CH+h_o), м;

в_б h_б, м;

i₂ 100;

i₃ к;

В_н=B_в+2h_н·i ₃, м;

В_в=Д+2в_б, м,

где В - ширина поверху выемки, образованной для размещения ограждающей несущей конструкции, м;

b - то же, понизу, м;

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

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

i_l - поперечный уклон (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) боковых сторон выемки, б/р;

h - высота части ограждающей несущей конструкции, контактирующей с находящимся сбоку грунтом подземной части (т.е. ниже уровня естественной поверхности местности) и в пределах продольной насыпи, м;

H - полная высота ограждающей несущей конструкции, м;

h_H - высота трапеции (составной части продольной насыпи), м;

h_СН - высота снежного покрова, м;

h_о - возможная осадка грунтовой насыпи в результате уплотнения грунта, м;

h_м - максимальная высота грунтовой насыпи (по оси проезда), м;

B_в - ширина верхнего основания трапеции грунтовой насыпи, м;

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

i₂ - поперечный уклон (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) верхней поверхности продольной насыпи, б/р;

в_б - расстояние от точки пересечения ограждающей несущей конструкции на уровне естественной поверхности местности до перпендикуляра, опущенного на эту поверхность из края верхнего основания трапеции, м;

h_б - расстояние по вертикали от точки пересечения ограждающей несущей конструкции с естественной поверхностью местности до верхней поверхности продольной насыпи, м;

i₃ - поперечный уклон (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) боковых сторон трапеции грунтовой насыпи, б/р;

к=0,8-1,2 - коэффициент учета местных условий;

В_Н - общая ширина грунтовой насыпи, м;

Д - ширина ограждающей несущей конструкции в уровне естественной поверхности местности, м.

Кроме того, в пределах слоя непучинистого грунта расположен слой теплоизоляции, ширина b_T которого определяется из выражения

b_T=4h_T·к,

Кроме того, в местах оленепрогона над продольной насыпью и над возвышающейся над грунтом ограждающей несущей конструкцией расположена поперечная насыпь для оленепрогона, основные параметры которой определяются из следующих соотношений:

h_в h м,

i₄ 5;

h_B - толщина засыпки над несущей конструкцией, м;

h - величина, определяемая условиями распределения сосредоточенной нагрузки над несущей конструкцией, м;

i ₄ - продольный уклон (поперечный по отношению к оси тоннеля) верха поперечной насыпи для оленепрогона, б/р.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображено поперечное сечение тоннеля на вечной мерзлоте предлагаемой конструкции;

на фиг.2 - то же, для случая, когда возвышение верха ограждающей конструкции над естественной поверхностью местности незначительно.

Тоннель мелкого заложения на вечной мерзлоте содержит несущую ограждающую конструкцию 1, размещенную в выемке с боковыми поверхностями 2, нижней поверхностью 3 и верхней поверхностью 4, совпадающей с естественной поверхностью 5 грунта, путевую конструкцию 6, расположенную над слоем непучинистого грунта 7, который, в свою очередь, расположен на нижней поверхности 3 выемки, грунт обратной засыпки 8 и продольную насыпь 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_T. 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 включена 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: возможностью размещения несущей ограждающей конструкции 1 при уклонах i₁ поверхностей 2 (i₁ - отношение горизонтальной проекции к вертикальной поверхности 2), обеспечением минимального технологического зазора "а" между поверхностями 2 и несущей ограждающей конструкции 1, обеспечением требуемого h_T и др. При этом уклон i₁ по возможности устраивается наиболее крутым из условия минимальности объема котлована, объема грунта обратной засыпки 8, объема продольной насыпи 9:i₁ 0.

Ширина В выемки поверху (поверхность 4) определяется из выражения:

B=b+2(h_T+h_П)·i ₁, м,

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

Ограждающая несущая конструкция 1 частично находится ниже естественной поверхности местности 5, а частично в пределах продольной насыпи 9, в ряде случаев возвышаясь над ней. Поэтому конфигурация ее в некотором смысле условна (т.е. часть поперечного сечения замещена непосредственно полостью ограждающей конструкции 1). Однако в любом случае ее положение однозначно определяется из следующих соотношений. В поперечном сечении продольная насыпь 9 состоит из трапеции, нижнее основание которой совмещено с естественной поверхностью 5, и треугольника, основание которого совмещено с верхним (меньшим) основанием трапеции, а вершина совмещена с вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось проезда. Высота трапеции h_H должна превышать высоту h_CH снежного покрова 11 на величину возможной осадки грунта h _o:

h_H (h_CH+h_o).

Высота h_M вершины треугольника определяется из нескольких условий. Во-первых, должен быть обеспечен уклон i₂ для стока поверхностных (дождевых) вод. Уклон должен быть не меньше 1:100, т.е. i ₂ 100. При этом

где В_в - ширина верхнего основания трапеции, a m=2 при отсутствии поперечного уклона местности. При наличии поперечного уклона m>2. Второе условие определяется обеспечением достаточности заглубления h несущей ограждающей конструкции 1 в грунте: h 0,5Н (H - полная высота ограждающей несущей конструкции). Это условие объясняется, с одной стороны, требованием достаточной стабильности конструкции, с другой, обеспечением охлаждающего эффекта. Третье условие определяет размеры боковых частей насыпи (т.е. расположенных по бокам от ограждающей несущей конструкции 1) с позиции их работы как охлаждающего элемента:

в _б h_б,

где в_б - расстояние от точки пересечения конструкции 1 с поверхностью 4 до перпендикуляра, опущенного на эту поверхность из края верхнего основания трапеции;

h_б - расстояние по вертикали от точки пересечения конструкции 1 с поверхностью 4 до верхней поверхности продольной насыпи 9.

Четвертое условие определяет размеры боковых граней трапеции. Уклон i₃ (отношение горизонтальной проекции к вертикальной) должен быть как можно круче, поскольку в теплофизическом плане эта часть насыпи влияет отрицательно. Практически грунт может быть отсыпан с уклоном не круче 1:1, поэтому

i₃ к,

где к - коэффициент учета местных условий, к=(0,8-1,2). Исходя из перечисленных условий, можно сформулировать также следующие зависимости:

B_H=B+2h_H·i ₃,

В_B=Д+2в_б,

где Д - ширина ограждающей несущей конструкции в уровне естественной поверхности грунта.

При расположении предлагаемой конструкции в условиях Заполярья возможна проблема осуществления оленепрогона. Тогда на отдельных участках возможна отсыпка специальных проходов или поперечной насыпи для оленепрогона, у которой толщина засыпки h_B над несущей ограждающей конструкцией 1 должна быть не меньше величины h , определяемой условиями распределения сосредоточенной нагрузки над несущей конструкцией. Кроме того должен быть выдержан уклон 1:i₄, где i₄ 5.

Позициями 12 и 13 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 14), что неизбежно привело бы к деформациям сооружения с возможным нарушением эксплуатационной пригодности.

Конструкция работает следующим образом. Новизна состоит в схеме обеспечения стабильности положения конструкции путем сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии. Основной источник поступления холода - это полость несущей ограждающей конструкции 1. Верхняя поверхность этой конструкции граничит с наружным воздухом. Поскольку среднегодовая температура воздуха в рассматриваемых регионах отрицательная, суммарный тепловой баланс за год отрицательный. В результате в полости несущей ограждающей конструкции 1 среднегодовая температура воздуха также отрицательная, что обеспечивает суммарно за год поступление холода в окружающие эту конструкцию грунты. С другой стороны, сильный снегоперенос в условиях Заполярья может создать повышенные снегозаносы около трубы. Для ликвидации вредного утепляющего влияния снежных заносов предусмотрено устройство охлаждающей продольной насыпи 9. Она возвышается над снежным покровом и ее верхняя поверхность в зимний период оголена от снега, что обеспечивает поступление холода в грунты. В грунт насыпи 9 холод поступает также со стороны полости несущей ограждающей конструкции 1.

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