Диссертация. Расчет тоннелей на сейсмические воздействия
 Скачать 4.33 Mb.
|
|
ГЛАВА 2 МЕТРОСТРОЕНИЕ В ХАНОЕ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ, ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И СЕЙСМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ 2.1 Введение Equation Chapter 2 Section 2 Ханой является столицей Вьетнама и вторым по величине городом страны с населением приблизительно равным восьми миллионам. Система общественного транспорта, главным образом, состоит из автобусного парка. Дороги Ханоя перегруженные. Решение транспортных проблем предполагается решить путѐм строительства линий метрополитена. Линии метрополитена предполагается связать с существующими железнодорожными трассами. Завершение строительства Метро города Ханоя и всей городской транспортной системы предполагается в 2020 году. 2.2 План городской транспортной системы в Ханое При планировании транспортной системы города Ханоя приоритетными являются современной общественный транспорт: железные дороги и автобусные системы. Предполагается строительство кольцевых и радиальных линий с целью уменьшения пробок. Решено построить восемь городских железнодорожных трасс, 6 автомобильных дорог, 9 высокоскоростных автобусных маршрутов. Генеральный план транспортной системы города Ханоя представлен на рисунке 2.1 и в таблице 2.1 В Ханое будут построены и наземные и подземные линии. Предполагается запроектировать и построить 240 км наземных линий и 60 км подземных линий. В качестве примера приведѐм Линию - Линия №2 (Нойбай – центр города – Тхыонгдйнь): длина составит 35,2 км, она соединит аэропорт Нойбай с центром города. Из аэропорта линия пройдѐт через новый городской район Донгань и окружный административный комплекс в Тульеме, пересекает старый квартал Ханоя и проходит по краям дороги № 6 до Тхыонгдйнь. Соединится с линией №2A городская железнодорожная линия Катлйнь-Хадонг. Эта линия будет состоять из 6 км подземных перегонных тоннелей метро, 7 подземных станций, и наземных участков. 23 Рисунок 2.1 Карта планируемых городских железнодорожных линий в Ханое Таблица 2.1 – Перечень городских подземных (метро) и наземных (железнодорожных) линий в Ханое № Названия линий Маршруты Длины 1 Линия №1 Нгокхой – Енвьен 38,7 км 2 Линия №2 Нойбай – Тхыонгдйнь 35,2 км 3 Линия №2а Катлйнь – Хадонг 14 км 4 Линия №3 Чой Ньон – Еншо 21 км 5 Линия №4 Льенха – Север Тханглонг 53,1 км 6 Линия №5 Юг Западного озера – Хоалак 34,5 км 7 Линия №6 Нойбай – Нгокхой 47 км 8 Линия №7 Мелйнь – Нгокхой 35 км 9 Линия №8 Конуе - Чаукуи 28 км 24 В настоящее время проект находится в стадии разработки. Построено несколько наземных участков. На участках трассы, на которых предполагается строительстве тоннелей мелкого и глубокого заложения проводятся проектно- изыскательские работы. 2.3 Предполагаемые формы поперечных сечения тоннелей, которые будут использоваться при строительстве метро в Ханое 2.3.1 Тоннели, сооружаемые щитовым способом Во Вьетнаме при щитовой проходке тоннелей в мягких грунтах расстояние от поверхности грунта до верхней части обделки должно быть не менее диаметра тоннеля. Обделки тоннелей предполагается изготавливать из железобетона или чугуна. Типичное поперечное сечение таких обделок представлено на рисунке 2.2. R3 10 0 350 R270 0 86 5 400 54 0 1435 2450 3150 3400 23 5 430 0 Рисунок 2.2 Типичное поперечное сечение тоннелей, сооружаемых с использованием проходческих щитов Эта конструкция обделки тоннеля с наружным радиусом 3,1м и с толщиной обделки 0,35м, будет использоваться в примерах расчета в следующих разделах. 2.3.2 Тоннели, сооружаемые открытым способом Для тоннелей, сооружаемых открытым методом, будут использоваться тоннельные обделки с поперечным сечением прямоугольной формы (рисунок 2.3 а ). Типичное поперечное сечение станции представлено на рисунке 2.3 б. 25 Тоннельные обделки с подобными размерами поперечного сечения будут использовать в расчѐтах в следующих главах. 4100 4100 400 9000 400 400 5570 400 6370 400 16700 850 5500 800 7150 700 7450 400 7450 700 а) б) Рисунок 2.3 Типичное поперечное сечение тоннелей мелкого заложения перегонного (а), станции (б) 2.4 Инженерно-геологические условия и сейсмические условия в Ханое 2.4.1 Типичные инженерно-геологические условия в Ханое Инженерно-геологические условия для каждой строительной площадки могут быть разными. Однако существуют некоторые общие закономерности, такие как глубина залегания коренных пород и характеристики осадочных пород. В каждом конкретном случае проводятся инженерно геологические исследования, которые позволяют уточнить все необходимые характеристики грунта. На рисунке 2.4 представлен геологический разрез, выполненный для проектирования трассы метро в Ханое. Характеристики и мощности слоев грунта, полученные при бурении скважины QHX-12, представлены в таблице 2.2. 26 Рисунок 2.4 Геологический разрез Таблица 2.2 – Характеристики грунтов использований в исследованиях и расчетах Ном ер ИГ Э Мощнос ть (м ) Плотност ь грунта (к г/м 3 ) угол внутренн ег о трения грун та Коэ ффиц иен т сцеп лен ия (КПа) Модуль деформации E 0 (МПа) Модуль упругос ти E (КПа) Коэ ффиц иен т Пуассон а Ск орость в олн ы сдвига C si (м /с) F 1.6 1.98 15°79' 21.1 5.9 243.6 0.35 213 2F 3.1 1.90 15°36' 17.7 5.7 283.9 0.44 228 2b 3.9 1.86 11°08' 11.0 5.3 314.4 0.42 244 3e 5.1 1.50 11°09' 11.1 2.6 177.7 0.43 204 6b 4.1 1.78 9°44' 9.2 4.3 234.0 0.47 211 7b 2.2 1.87 11°26' 10.7 5.1 308.4 0.47 237 7t 5.5 1.78 11°33' 13.1 4.8 276.5 0.45 231 9b 2.5 1.77 11°01' 11.0 4.2 165.7 0.49 177 9d 3.8 1.76 11°09' 10.9 4.4 292.9 0.37 246 14b 5.9 1.80 13°42' 14.5 4.2 349.7 0.46 258 15b 1.1 1.89 16°42' 20.7 6.2 281.8 0.47 225 15d 1.2 1.96 17°06' 16.0 8.5 501.8 0.47 295 27 Геологический разрез (буровая скважина QHX-12). Данные используемая при расчѐтах тоннельных обделок в следующих главах ( рисунок 2.5). 2.00 2.45 3 4 5 9 4.00 4.45 3 4 7 11 6.00 6.45 2 3 3 6 8.00 8.45 2 3 4 7 10.00 10.45 2 3 3 6 12.00 12.45 2 2 3 5 14.00 14.45 2 3 3 6 16.68 17.13 1 1 3 4 18.00 18.45 8 12 13 25 20.00 20.45 14 15 17 32 22.00 22.45 13 14 16 30 24.00 24.45 11 13 15 28 26.00 26.45 11 15 18 33 28.00 28.45 12 16 19 35 30.00 30.45 14 17 21 38 32.00 32.45 2 3 5 8 34.00 34.45 3 3 4 7 36.00 36.45 3 4 4 8 38.00 38.45 7 11 15 26 40.00 40.05 56 >50 0 Заполнение: Почва с гравием, кирпичной крошкой, сломанным бетоном... Заполнение: Твердая, коричневато-серая, желтовато -коричневая тощая глина (CL) Полутвердый к твердой, Коричневато-серой, Темновато-серой непластичной глине и наносам (CL & ML) Полутвердый к твердому , Коричневато-серому, Темновато-серому Упругим наносам (MH) редко с органическим веществом. Твердый, Коричневато-серый, Темновато-серый наносы (ML) редко с органическим веществом Полутвердым к твердым, Коричневато -серым наносам (ML) Твердые, Коричневато -серые наносы с Песком (ML) Полутвердые к твердым, Коричневато -серым наносам (ML) вперемежку песок Средний плотный, Коричневато-серый, Темновато-серый наносный песок (СМ) вперемежку наносы Твердый, Коричневато-серый нанос (ML) вперемежку упругий нанос, редко с органическим веществом Твердая, Коричневато -серая, желтовато -серая непластичная глина (CL) Плотный, Коричневато -серый, синевато-серый наносный песок (СМ) QHX-12 N SPT ( N 2 +N 3 ) N3 N1 N2 Наименование грунтов Скважина: Глубина: 48,85 м Н о м е р И Г Э Гелогическая диаграмма Гл у б и н а п о д п ш вы с л о я М о щ н о ст ь Литолог. разрез Испытание SPT Гл у б и н а (m ) Число ударов /15 см N SPT Диагрмма Рисунок 2.5 Характеристики слоѐв грунта (скважина QHX-12) 2.4.2 Сейсмические условия в Ханое Территорию, которую занимает город Ханой, пересекают несколько тектонических разломов, которые оказывают сильное влияние на сейсмическую активность. Следует отметить разломы, направленные по руслам следующих рек: 28 Красной реки, реки Чаи, реки Ло, реки Вйньнйнь, реки Да и реки Донгчьеу. Большинство источников землетрясений, наблюдаемых в Ханое и его окрестностях находились на границах этих разломов. Активными являются два разлома вдоль реки Чеи и реки Ло Рисунок 2.6 Схема разломов, пересекающих город Ханой В соответствии с нормативным документом «Проектированием сейсмостойких конструкций (TCXDVN375:2006) Вьетнама [ 72 ], в районе Ханоя может произойти землетрясение силой 8 баллов по шкале МСК 64. Значение пикового ускорения грунта рекомендуется принимать равным 0, 2 g a g 2.5 Выводы по главе Представлен генеральный план транспортной системы Ханоя, инженерно геологические и сейсмические условия. Эти данные будут использоваться в следующих главах. 29 ГЛАВА 3 АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ 3.1 Введение Equation Chapter 3 Section 3 При распространении волн перпендикулярно осям тоннелей контуры цилиндрических обделок превращаются в овальные, а поперечные сечения прямоугольной формы подвергаются деформациями сдвига, как это представлено рисунке 3.1 . Такие расчѐтные схемы рекомендуется использовать в «Техническом руководстве по проектированию и расчѐту элементов транспортных тоннелей» США [ 35 ]. Рисунок 3.1. Деформации поперечных сечений тоннельных обделок при распространении поперечных волн в вертикальном направлении Рисунок 3.2. Деформации тоннельных обделок при распространении сейсмических волн вдоль оси тоннеля 30 Наибольшие деформации такого типа создаются вертикально распространяющимися поперечными волнами. Продольные и изгибные деформации создаются волнами, распространяющимися вдоль оси тоннелей (рисунок 3.2 ) [ 73, 58 ]. Расчѐт поперечных деформаций тоннельных обделок при воздействии сейсмических волн может быть выполнен упрощѐнным аналитическим способом и более сложными численными. Численные методы расчѐта применяются в тех случаях, когда невозможно использовать упрощѐнные способы, когда необходимо учесть большое количество неопределѐнностей, связанных с грунтовыми условиями, и с заданием исходной сейсмической информации. Обычно для расчѐта ответственных сооружений применяются одновременно численные аналитические методы расчѐта. 3.2 Параметры, характеризующие движения грунта при землетрясениях Для расчѐта тоннелей на сейсмические воздействия необходимо задать параметры, характеризующие движение грунта, в трѐх направлениях: вдоль оси тоннеля и в двух – взаимно-перпендикулярных к оси тоннеля. 3.2.1 Пиковые параметры движения грунта Наиболее часто используемым параметром, характеризующим сейсмическое воздействие, является пиковое ускорение грунта (PGA) в горизонтальном направлении. Пиковые значения скорости колебаний грунта (PGV) и пиковые значения перемещений колебаний грунта (PGD) также используются в инженерных расчѐтах. Для расчѐта подземных сооружений, на сейсмостойкость пиковое значение скорости и пиковое значение перемещений являются более важными параметрами. Значения PGA, как правило, получают, используя карты общего сейсмического районирования. Можно уточнить эти значения, если известны расстояния от возможных источников землетрясений. Этими вопросами занимаются сейсмологи и геологи. В США были выполнены исследования для определения значений отношений пиковой скорости к пиковому ускорению PGV/PGA в зависимости от магнитуды, 31 грунтовых условий и расстояний от источника возмущений до объекта. Результаты этих исследований, позволяющих определять значения пиковой скорости и пикового смещения грунта, если известные пиковые значения ускорения представлены на таблицах 3.1 и 3.2 [ 39, 62 ]. Таблица 3.1 - Отношения значений пиковой скорости движения грунта к значениям пикового ускорения движения грунта на поверхности скальных и мягких грунтах Магнитуда (M w ) Отношение значений пиковой скорости движения грунта (cm/с) к пиковому ускорению движения грунта (g) Расстояние от источника землетрясения до площадки (km) 0-20 20-50 50-100 Скальный грунт 6,5 66 76 86 7,5 97 109 97 8,5 127 140 152 Твѐрдый грунт 6,5 94 102 109 7,5 140 127 155 8,5 180 188 193 Мягкий грунт 6,5 140 132 142 7,5 208 165 201 8,5 269 244 251 32 Таблица 3.2 - Отношения значений пиковых перемещений поверхности грунта к значениям пиковых ускорения на поверхности скальных и мягких грунтах Магнитуда ( ) Отношение пика смещения частиц грунта (cm) к пику ускорения частиц грунта (g) Расстояние от источника землетрясения до площадки (km) 0-20 20-50 50-100 Скальный грунт 6,5 18 23 30 7,5 43 56 69 8,5 81 99 119 Твѐрдый грунт 6,5 35 41 48 7,5 89 99 112 8,5 165 178 191 Мягкий грунт 6,5 71 74 76 7,5 178 178 178 8,5 330 320 305 Типы грунтов характеризуются следующими диапазонами скорости волн сдвига: - скальный грунт 750 м/с; - твѐрдый грунт 200-750 м/с; - мягкий грунт 200 м/с. Примечание. Отношения между пиковой скоростью грунта и пиковым ускорением грунта, а также между пиковым перемещением грунта и пиковым ускорением грунта является менее точным в мягких грунтах. Кроме того значения пиковых значений ускорений, скоростей и перемещений можно определить в зависимости от бальности строительной площадки, используя данные российских исследователей Аптикаева Ф.Ф. и Михайловой Н.Н. [25]. Эти данные представлены в таблице 3.3. 33 Таблица 3.3 – Значение PGA, PGV и PGD, соответствующие СН РК В.1.3-98 I, баллы PGA, см/с 2 PGV, см/с PGD, см Интервал значений Медиана Интервал значений Медиана Интервал значений Медиана 9 400-900 600 55-180 100 20-80 40 8 180-400 270 18-55 32 5-20 10 7 80-180 120 5,5-18 10 1,25-5 2,5 3.2.2 Зависимость параметров движения грунта от глубины Параметры движения грунта, как правило, задаются на поверхности земли. Тоннели, как известно, сооружаются на некоторой глубине под дневной поверхностью. Для расчѐта конструкции тоннеля на сейсмическое воздействие необходимо знать параметры движения грунта на уровне заложения тоннеля. Ввиду того, что интенсивность колебаний грунта при землетрясениях уменьшается с увеличением глубины, представляет интерес для расчѐтов тоннелей, использующих эти уменьшенные значения. Отношения, характеризующие уменьшение параметров с глубиной представлены в таблице 3.4. Можно получить и более низкие значения, но для этого необходимо выполнить дополнительные оценки, соответствующие конкретной строительной площадке. Таблица 3.4 – Коэффициенты, учитывающие уменьшение параметров, характеризующих движения грунта с глубиной [55] Глубинные тоннели (м) Коэффициенты, учитывающие уменьшение параметров, характеризующих движения грунта, в зависимости от глубины заложения ≤ 6 1.0 6 -15 0.9 15 -30 0.8 ≥ 30 0.7 34 3.3 Оценка поперечных деформаций тоннельных обделок при сейсмических воздействиях, без учѐта влияния тоннельной обделки на окружающий массив грунта Рассматриваемый упрощѐнный метод, позволяющий определить деформацию цилиндрической тоннельной обделки, основан на предположении, что тоннельная обделка не влияет на деформации окружающего массива грунта. Тоннель рассматривается как цилиндрическая полость в грунтовом массиве, в котором распространяются сейсмические волны. 3.3.1 Овализация Деформация сечений тоннелей цилиндрической формы в овальную происходит при воздействии поперечных волн сдвига, распространяющихся перпендикулярно оси тоннеля. Знакопеременные деформации вызывают дополнительные сжимающие и растягивающие напряжения в тоннельной обделке. Эти динамические напряжения накладываются на существующие статические напряжения. В результате могут проявиться два эффекта: Дополнительные напряжения сжатия вместе с существующими статическими в некоторых сечениях могут превысить предельно допускаемые и динамические напряжения уменьшают статические напряжения сжатия в тоннельной обделке, уменьшая несущую способность, иногда при этом появляются растягивающие напряжения. 3.3.2 Деформации сдвига «свободного поля» Деформации сдвига грунта, вызванные вертикально распространяющимися волнами сдвига являются доминантными и наиболее критическими видами сейсмических движений. Такие воздействия деформирует сечения круговых тоннелей в овальные, а прямоугольные сечения в параллелепипеды как показано на рисунке 3.1 Для оценки параметров сейсмических волн свободного поля часто требуется использование численных методов, особенно при сложных инженерно геологических условиях. В настоящее время существует много пакетов программ различной степени сложности и детализации (например, SHAKE, FLUSH, FLAC, 35 PLAXIS, MIDAS и др.) для решения такого рода задач. Наиболее широко используемый подход заключается в упрощении геологии: в замене грунтовой среды горизонтально-слоистой системой с тем, чтобы можно было использовать одномерной теории распространения волн [68] . В результате такого анализа распределения напряжения и деформации сейсмических волн сдвига в «свободном поле» можно представить в зависимости от глубины. Для тоннелей глубокого заложения, расположенных в относительно однородных грунтах при отсутствии детального анализа сейсмических напряжений, упрощѐнные методики Newmark N. M. [57] и Hendron A. J. [51] позволяют получить разумную оценку, отметив, однако, что эти результаты дают завышенные значения, особенно в том случае, когда ослабление уровней колебаний грунта с увеличением глубины игнорируется. Максимальная деформация сдвига, γ max , в свободном поле может быть выражена как [ 55, 35 ]: max S Se V C , (3.1) где S V - пиковая скорость движения частиц грунта, / м с ; Se C - эффективная скорость распространения волн сдвига, / м с Эффективные скорости вертикально распространяющихся волн сдвига Se C , соответствуют уровням деформаций сдвига, которые могут возникнуть в грунте на уровне заложения тоннеля при воздействии проектного землетрясения. Значения Se C может быть получено путем соответствующего уменьшения скорости волн сдвига S C , измеренных при деформациях. Для учета зависимости скорости волн сдвига от уровня деформаций используется результаты замеров распространения поперечных и продольных волн. Для скальных пород отношение / Se S C C можно принять равным 1,0. Для жестких и очень жестких пород отношение / Se S C C может варьироваться от 0,6 до 0,9. Кроме того, должен быть определѐн специальный спектр максимальных реакций для строительной площадки с учѐтом полученного значения Se C . Для тоннелей, расположенных в мягких грунтах так же должен быть определѐн |