Выбор коэффициента надежности по нагрузке
| Виды нагрузок | Коэффициенты надежности по нагрузке |
| Вертикальная от веса всей толщи грунтов над тоннелем: | |
| в природном залегании | 1,1 |
| насыпных | 1,15 |
| Вертикальная от горного давления при сводообразовании для грунтов: | |
| скальных | 1,6 |
| глинистых | 1,5 |
| песчаных и крупнообломочных | 1,4 |
| Вертикальная от давления грунта при вывалах | 1,8 |
| Горизонтальная от давления грунта | 1,2 (0,7) |
| Гидростатическое давление | 1,1 (0,9) |
| Собственный вес конструкций: | |
| сборных железобетонных | 1,1 (0,9) |
| монолитных бетонных | 1,2 (0,8) |
| металлических | 1,05 |
| изоляционных, выравнивающих, отделочных слоев | 1,3 |
| Сохраняющиеся усилия от предварительного обжатия и щитовых домкратов | 1,3 |
Примечание. Значения коэффициентов надежности по нагрузке, указанные в скобках, принимают в случае, когда уменьшение нагрузки приводит к более невыгодному загружению обделки.
Нагрузки от горного давления являются главным внешним силовым фактором. При расчете конструкций, работающих в режиме заданных нагрузок, величина нагрузки от горного давления определяется как вес грунта в объеме возможной зоны разрушения грунта в окрестности незакрепленной выработки и в значительной степени зависит от несущей способности вышележащих грунтов [9]. При этом горное давление представляется в виде внешней вертикальной q и горизонтальной p нагрузок на конструкцию обделки. Эти нагрузки, в зависимости от глубины заложения тоннеля и свойств окружающих грунтов, определяют либо в соответствии с гипотезой сводообразования, либо от веса всей толщи грунтов над тоннелем.
Значение нормативных равномерно распределенных вертикальной qн и горизонтальной pн нагрузок от горного давления в условиях сводообразования для однородной толщи грунта определяют по следующим формулам:
;(4.1)
; (4.2)
| где | hв | – | высота свода обрушения над верхней точкой обделки; |
| g | – | объемный вес грунта; | |
| D | – | наружный диаметр обделки; | |
| φн | – | нормативный угол внутреннего трения грунта в пределах сечения тоннельной обделки, принимаемый по данным исследования грунта. |
При курсовом проектировании расчетные характеристики грунтов можно принимать в соответствии с табл. 1 Приложения.
Величина пролета L и высота свода обрушения hв(рис. 4.1, а) в условиях сводообразования при глубине заложения тоннеля Н1 £ 45 м определяются по формулам:
; (4.3)
, (4.4)
| где | f | – | коэффициент крепости грунта. |
Если над тоннелем толща однородного грунта (рис. 4.1, а, 1) менее трех высот свода обрушения (h £ 3hв), а выше залегает менее прочный грунт (рис. 4.1, а, 2), значение нормативной вертикальной нагрузки qн определяют по формуле:
(4.5)
| где | 
| – | нормативная вертикальная нагрузка, полученная по параметрам менее прочного грунта; |
| – | нормативная вертикальная нагрузка для грунта, вмещающего тоннель; | |
| Z | – | расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее прочным грунтом или слабым грунтом, не обладающим способностью к сводообразованию; | |
| hв | – | высота свода обрушения для грунта, вмещающего тоннель. |
Если глубина заложения тоннеля Н меньше двойной высоты свода обрушения (Н < 2hв) либо толща устойчивых грунтов над тоннелем h< 2hв и выше залегают грунты, не обладающие способностью к сводообразованию, а также при расположении тоннеля кругового очертания в слабых глинистых грунтах, в песках, илах и плывунах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, нормативную вертикальную нагрузку от горного давления принимают равной нагрузке от веса всей толщи грунтов над тоннелем (см. рис. 4.1, б).
Рис. 4.1. Схемы к определению горного давления:
а – по гипотезе сводообразования; б – от веса толщи грунтов
над тоннелем
Значения нормативных равномерно распределенных вертикальной qн и горизонтальной pн нагрузок от давления всей толщи грунтов над тоннелем определяют по следующим формулам:
; (4.6)
; (4.7)
| где | gi | – | объемный вес грунтов напластований; |
| hi | – | толщина слоев напластований; | |
| n | – | число слоев напластований. |
Величину нормативной вертикальной нагрузки от горного давления для тоннелей, сооружаемых в глинистых грунтах на глубине более 45 м, принимают с учетом коэффициента K = Н1/45, где Н1 – глубина заложения тоннеля в метрах, считая от поверхности земли до низа тоннельной обделки (см. рис. 4.1, а). Кроме этого, при расположении тоннелей в глинистых грунтах, прочность которых уменьшается под давлением поступающих подземных вод, величину нормативной вертикальной нагрузки от горного давления следует увеличить в пределах 30 %.
Величину нормативной горизонтальной нагрузки на обделки кругового очертания, возводимые в глинистых грунтах текучей и пластичной консистенции, в водонасыщенных грунтах, а также в грунтах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, принимают не более 0,75 от величины нормативной вертикальной нагрузки от веса всей толщи грунта над тоннелем.
Значения нормативных нагрузок на обделку тоннеля, расположенного в водонасыщенных слабосвязных грунтах, содержащих свободную воду, принимают обычно от совместного действия гидростатического давления воды 
и давления грунта во взвешенном состоянии, определяемого по формулам (4.6) и (4.7) с учетом взвешенности грунта в воде.
Объемный вес грунта с учетом взвешенности в воде:
, (4.8)
| где | γ | – | объемный вес грунта в сухом состоянии; |
| γу | – | удельный вес грунта в сухом состоянии; | |
| γb | – | удельный вес воды, γb = 10 кН/м3; | |
| ε | – | коэффициент пористости грунта. |
Нагрузки от гидростатического давления на конструкцию отнесены к числу постоянных, хотя они в различные периоды существования обделки могут изменяться от нулевого до максимального значения в зависимости от гарантированной герметизации обделки.
При полной герметизации обделки гидростатическое давление достигает максимальных значений, причем для обделок кругового очертания учет гидростатического давления улучшает условия их статической работы, поскольку создает в сечениях обделки значительную нормальную силу, передающуюся с небольшим эксцентриситетом. Поэтому при расположении обделки в водоносных грунтах конструкцию необходимо рассчитывать как на максимальное гидростатическое давление, так и на минимальное. Второй случай практически означает отсутствие гидростатического давления, что возможно при нарушении герметичности обделки.
Нагрузка от гидростатического давления действует по нормали к наружной поверхности обделки. Ее интенсивность зависит от расстояния точек контура обделки до уровня грунтовых вод hw (см. рис. 4.1, б):
. (4.9)
При учете гидростатического давления горное давление следует определять с учетом веса грунта во взвешенном состоянии (см. формулу (4.8)).
При расчете обделок кругового очертания на основное сочетание нагрузок в эксплуатационной стадии нагрузку от собственного веса 
учитывают для монолитно-прессованных обделок и сборных блочных обделок без связей растяжения в стыках:
, (4.10)
| где | G | – | вес кольца обделки; |
| D | – | наружный диаметр обделки. |
Нагрузка от собственного веса принимается равномерно распределенной по пролету выработки и суммируется с расчетной нагрузкой от вертикального горного давления. Для сборных тюбинговых обделок со связями растяжения в стыках нагрузку от собственного веса учитывают только при расчете конструкции в монтажной стадии.