ВВЕДЕНИЕ Темой дипломного проекта является "Составить проект ... перегонного тоннеля с горно-проходческим щитом в условиях Алматинского

ВВЕДЕНИЕ
Темой дипломного проекта является "Составить проект строительства
перегонного тоннеля с горно-проходческим щитом в условиях Алматинского
метрополитена".
Цель данного дипломного проекта – составление проекта строительства
перегонного тоннеля с горно-проходческим щитом в условиях Алматинского
метрополитена. Задачами дипломного проекта являются: изучение
геологической характеристики массива местности; рассмотреть генеральный
план строительства, организацию строительных работ, выбрать
технологическое оборудование; технологию строительства перегонного
тоннеля; организацию работ по сооружению тоннеля проходческим щитом;
охрану труда и окружающей среды; технико-экономические показатели
строительства.
1 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Район строительства
Для обоснования проекта первой линии метрополитена в г. Алматы в
1981-1982 гг, институтами КазГИИЗ, Казгипроводхоз, Алматыгипротранс,
Казводоканалпроект и Алматинской гидрогеологической экспедицией по
заданию Метрогипротранса были выполнены инженерно-геологические
изыскания, которые включали в себя проходку разведочных шурфов, бурение
разведочных скважин и опытные работы.
В 1990 году институтом КазГИИЗ выполнен комплекс инженерногеологических работ для целей сейсмического микрорайонирования района
Калкаман.
Кроме того, в пределах исследуемой территории проводились
инженерно-геологические
изыскания
на
отдельных
площадках,
примыкающих к полосе трассы проектируемого метрополитена. Недостатком
отдельных работ явилась недостаточная глубина изучения разреза. В
результате произведена оценка и отбраковка выработок, пройденных ранее, с
учетом их распределения по площади и наличии данных о физических,
физико-механических и агрессивных свойствах грунтов. Выработки,
использованные для составления инженерно-геологического разреза,
вынесены на карту фактического материала.
В геоморфологическом отношении участок очереди метрополитена от
станции Алатау до станции Калкаман расположен в пределах предгорного
шлейфа, образовавшегося в результате слияния конусов выноса горных рек
М. Алматинки, Б. Алматинки и Каргалинки. Поверхность плоская, с уклоном
от гор к равнине.
1.2 Географические и климатические условия
Исследуемая территория расположена на пологонаклонной равнине,
вытянутой полосой вдоль северного склона хребта Заилийский Алатау. В
пределах всей линии метрополитена распространен аккумулятивный тип
рельефа. В геоморфологическом отношении участок от станции Алатау до
станции Калкаман расположен в пределах предгорного шлейфа,
образовавшегося в результате слияния конусов выноса горных рек М.
Алматинки, Б. Алматинки и Каргалинки. Поверхность плоская, с уклоном от
гор к равнине. Осложнена поверхность речными долинами рек Каргалинка и
Б. Алматинка.
Долина реки Каргалинка выражена плохо. Слабо
прослеживаются пойменные участки. Левый берег реки крутой, правый пологий. Глубина вреза реки 1,5 - 3,0 м. Борта сложены суглинком, дно реки –
галечником. Долина реки Б. Алматинка глубиной вреза 5-6 м. Борта крутые,
с поверхности и до глубины 2,6м сложены суглинками, глубже – валунными
и галечниковыми грунтами с супесчаным, суглинистым и песчаным
заполнителем. Берега реки облицованы железобетонными плитами.
Гидрографическая сеть представлена реками Большая Алматинка и
Каргалинка. На юго-западе линия II очереди строительства метрополитена
пересекает реку Каргалинка. Площадь водосбора реки – 44,9 км2. Русло реки
– относительно прямолинейное. Левый берег – крутой, подвержен размыву,
высотой до 3,0 м и правый берег – пологий, задернованный. Глубина вреза
реки – до 1,5-3,0 м, ширина 4-10 м. Среднегодовой расход реки в многолетнем
разрезе составляет 2,13 м3, максимальный – 8 м3/сек, минимальный – 1 м3/сек.
Долина реки Б. Алматинка имеет ширину – около 20 м. Глубина вреза 5-6 м.
Борта - крутые. Русло реки представляет из себя искусственное сооружение из
бетона, обеспечивающее пропуск максимальных расходов. Среднегодовой
расход реки в многолетнем разрезе составляет 5,03 м3/сек, максимальный –
24,3 м3/сек, минимальный – 2,05 м3/сек. Модуль поверхностного стока
исчисляется в 17,3 л/сек с 1 км2 при общей площади водосбора 290 км2.
Реки относятся к горному типу с весенне-летним половодьем.
Начинается половодье в конце марта - апреле и заканчивается в августе сентябре.
Дата прохождения наибольших расходов непостоянна. Прохождение
максимумов стока определяется наложением ливневых дождей в период
интенсивного таяния снежников и ледников. Межень на реках начинается в
конце августа – сентябре и заканчивается в марте. Летне-осенняя межень
высокая, неустойчивая.
Климат Алматы континентальный и характеризуется влиянием горнодолинной циркуляции, что особенно проявляется в северной части города,
расположенной непосредственно в зоне перехода горных склонов к равнине.
Средняя многолетняя температура воздуха равна 10 °C, самого
холодного месяца (января) – 4.7 °C, самого тёплого месяца (июля) 23,8 °C.
Заморозки в среднем начинаются 14 октября, заканчиваются 18 апреля.
Устойчивые морозы держатся в среднем 67 суток – с 19 декабря по 23 февраля.
Погода с температурой более 30 °C наблюдается в среднем 36 суток в году. В
центре Алматы, как и у любого крупного города, существует «остров
тепла» — контраст средней суточной температуры между северными и
южными окраинами города составляет 3,8 % и 0,8 °C в самую холодную и
2,2 % и 2,6 °C в самую жаркую пятидневку. Поэтому заморозки в центре
города начинаются в среднем на 7 дней позже и заканчиваются на 3 дня
раньше, чем на северной окраине.
Таблица 1.1 – Климат города Алматы
Месяц
Абсолют.
минимум
Средний
минимум
Средняя
Средний
максимум
Абсолют.
максимум
Январь
-30.1 (1969)
-8.4
-4.7
0.7
18.2 (2002)
февраль
-37.7 (1951)
-6.9
-3.0
2.2
19.0 (1979)
Март
-24.8 (1920)
-1.1
3.4
8.7
28.0 (2000)
Апрель
-10.9 (2003)
5.9
11.5
17.3
33.2 (1946)
Май
-7.0 (1931)
11.0
16.6
22.4
35.8 (2014)
Июнь
2.0 (1927)
15.8
21.6
27.5
39.3 (1977)
Июль
7.3 (1926)
18.0
23.8
30.0
43.4 (1983)
Август
4.7 (1978)
16.9
23.0
29.4
40.5 (1944)
Сентябрь
-3.0 (1969)
11.5
17.6
24.2
38.1 (1998)
Октябрь
-11.9 (1987)
4.6
9.9
16.3
31.1 (1985)
Ноябрь
-34.1 (1952)
-1.3
2.7
8.2
25.4 (1979)
Декабрь
-31.8 (1952)
-6.4
-2.8
2.3
19.2 (1989)
Год
-37.7 (1951)
5.0
10.0
15.8
43.4 (1983)
В год в среднем выпадает 600-650 мм осадков, главный максимум
приходится на апрель – май, второстепенный – на октябрь – ноябрь.
Засушливый период приходится на август. Средней датой образования
устойчивого снежного покрова считается 30 октября, хотя его появление
колеблется от 5 октября до 21 ноября. Средняя дата схода снега – 2 апреля
(колеблется от 26 февраля до 12 мая). 50-70 суток в год в городе и его
окрестностях наблюдаются туманы.
Для Алматы не являются редкостью поздние майские снегопады и
резкие похолодания. К примеру, за последние четверть века такие снегопады
регистрировались на 13.05.1985, 1.05.1989, 5.05.1993 и 18.05.1998.
Абсолютный рекорд позднего снегопада в Алматы – 17 июня 1987 года.
Также в Алматы неоднократно регистрировались такие курьёзные
природные явления, как зимний дождь (после нескольких предшествовавших
снегопадов).
Чаще всего на метеостанции Алматы ГМО регистрируется юговосточный ветер (30 %): его устойчивость растёт летом (37 %) и падает зимой
(19 %). В равнинных северных частях города наиболее часты (22-28 % в году)
ветры северо-западного направления. В среднем в течение года на протяжении
15 суток наблюдаются сильные ветры скоростью 15 м/с и более.
1.3 Инженерно-геологические условия
В геологическом строении района принимают участие разновозрастные
отложения.
Территория района находится в пределах Алматинской впадины,
являющейся структурой второго порядка, Алматинская впадина, в свою
очередь, разбита целым рядом разломов на блоки, характеризующиеся
дифференцированным движением друг относительно друга.
Участок работ располагается в юго-западной части Алматинской
впадины в пределах трех блоков: Алматинского, блоков ХII и ХХII ,
разделенных между собой Алматинским и Жанатурмысским разломами. Все
блоки имеют одинаковую направленность тектонических движений: они
опускаются.
При этом палеозойский фундамент, сложенный скальными породами,
залегает в пределах Алматинского блока на глубинах 1300-2200 м, в пределах
блока ХII– на глубинах 1200-1600 м, а в пределах блока ХХII – на глубинах
600-1200 м.
На палеозойский фундамент налегает толща (1300 м и более) озерных
палеоген – неогеновых отложений, представленных преимущественно
красноцветными глинами, глинистыми песками и аргиллитами, песчаниками
с прослоями мергелей и известняков.
С поверхности до глубины 300 м и более залегают нижнечетвертичносовременные аллювиально-пролювиальные отложения.
Современные отложения выполняют русловые части долин и слагают
пойменные террасы.
В геолого-литологическом строении изученного разреза принимают
участие аллювиально-пролювиальные отложения верхнечетвертичного
возраста.
Из физико-геологических процессов отмечаются незначительный
плоскостной смыв, высокая сейсмичность.
Исследуемая территория располагается в пределах Илийской межгорной
впадины, которая представляет собой артезианский бассейн.
Водоносный комплекс приурочен к аллювиально-пролювиальным
отложениям шлейфа конусов выноса, характеризующимися преобладанием
отложений крупнообломочного состава, при небольшом содержании
песчаного заполнителя и наличии хорошо промытого материала. Это создает
благоприятные условия для формирования значительных запасов подземных
вод за счет поглощения поверхностных вод из русел рек, ирригационной сети,
инфильтрации атмосферных осадков, притока подземных вод со стороны
горного массива и конденсации водяных паров.
По динамике и глубине залегания подземных вод исследуемая
территория относится к зоне транзита.
В режиме грунтовых вод существует хорошо выраженная связь уровня
с условиями питания водоносного горизонта. Согласно данным Института
гидрогеологии наблюдаются сезонные колебания уровней. Наивысшее
стояние подземных вод наблюдалось в августе, реже – сентябре месяцах.
Минимальные уровни – в конце апреля – начале мая.
Линия метрополитена проходит по территории Алматинского
месторождения подземных вод, которое эксплуатируется с 1960 года. С 1961
года наблюдается плавное снижение уровня по сравнению с многолетними
нормами. Постоянный водоотбор из скважин привел к интенсивному
развитию депрессионной воронки.
Однако в случае прекращения эксплуатации Алматинского
месторождения подземных вод будет происходить подъем уровня такими же
темпами, с которыми формировались понижения.
Глубина залегания уровня грунтовых вод, по результатам бурения
гидрогеологических скважин по состоянию на 1981, в районе ул. Отеген
Батыра, ниже пр. Абая составляла (скв. 25303) – 29,9 м, а в районе пр.Абая и
ул.Хусаинова (скв. 25348) – 40,0 м.
На время изысканий грунтовые воды выработками глубиной 25,0м не
вскрыты.
Коэффициент фильтрации суглинков изменяется от 0,03 м/сутки до 1,08
м/сутки, нормативное значение – 0,32 м/сутки; галечниковых грунтов – 14-68
м/сутки, в зависимости от заполнителя.
Территория потенциально неподтопляемая.
Для аллювиально-пролювиальных отложений шлейфа конусов выноса
характерно двухслойное строение разреза: внизу – галечники, вверху –
суглинки и супеси.
В юго-западной части линии метрополитена мощность суглинков и
супесей достигает 4,8 м, а в центральной и восточной ее частях – до 0,5-2,6 м.
Местами суглинки и супеси замещены насыпными грунтами мощностью до
3,1 м и покрыты асфальтом.
По визуальному описанию суглинки – твердой и полутвердой
консистенции, супеси – твердой консистенции, от желтовато-бурого до
коричневато- серого цвета, лессовидные, просадочные, макропористые,
легкие, пылеватые, с включением карбонатов в виде порошка и стяжений,
гальки и гравия.
Глинистые грунты по своим физико-механическим показателям
неоднородные.
Природная влажность глинистых грунтов колеблется в пределах 0,100,21 д.е., нормативное значение – 0,172 д.е.
Влажность на границе раскатывания колеблется в пределах 0,179-0,24
д.е., нормативное значение – 0,202 д.е.
Плотность грунта изменяется от 1,47 т/м3 до 1,75 т/м3, нормативное
значение 1,61 т/м3 .
Плотность грунта в сухом состоянии изменяется от 1,17 т/м3 до 1,25 т/м3,
нормативное значение 1,36 т/м3 .
Коэффициент пористости колеблется в пределах 0,84-1,17, нормативное
значение -0,989.
Модуль деформации при природной влажности изменяется от 2,3 мПа
до 8,9 мПа, нормативное значение – 5,9 мПа.
Модуль деформации при водонасыщении изменяется от 0,7 мПа до 3,2
мПа, нормативное значение – 1,5 мПа.
Удельное сцепление при природной влажности колеблется в пределах
12 кПа – 45 кПа, нормативное значение – 28 кПа.
Удельное сцепление при водонасыщении колеблется в пределах 1 кПа –
22 кПа, нормативное значение – 11 кПа.
Угол внутреннего трения при природной влажности колеблется в
пределах 190 – 350 , нормативное значение –210.
Угол внутреннего трения при водонасыщении колеблется в пределах 130
– 250 , нормативное значение –190.
Суглинки и супеси, залегающие в верхней части разреза, проявляют
просадочные свойства на всю мощность, в основном от дополнительных
нагрузок, реже – при бытовом давлении. Величина просадки суглинков при
бытовом давлении менее 5 см.
Начальное просадочное давление изменяется от 0,020 до 0,175 мПа,
нормативное значение – 0,068 мПа.
Коэффициент относительной просадочности при удельном давлении
0,05 мПа колеблется в пределах 0,002-0,029, нормативное значение - 0,012;
при удельном давлении 0,1 мПа – 0,001-0,052, нормативное значение0,024;
при удельном давлении 0,2 мПа – 0,013- 0,088, нормативное значение0,054;
при удельном давлении 0,3 мПа - 0,037- 0,102, нормативное значение0,071.
Грунтовые условия по просадочности относятся к первому типу.
С глубины 0,5-4,8 м залегают крупнообломочные грунты,
представленные галечниками, редко – гравийными и валунными грунтами.
Галечниковые грунты с песчаным, а в кровле слоя - мощностью до 0,20,5м с суглинистым и супесчаным заполнителем.
Галечниковые грунты с содержанием фракций: валунов – 12,5-40,3% (в
т.ч. негабаритных – до 10%), гальки – 31,5 - 63,2 %, гравия –4,0-12,8%,
заполнителя – 1,8-27,6 %. Преимущественные размеры валунов – 200-400 мм,
(редко негабаритных – 500-600 мм) гальки – 60-190 мм, гравия – 3-8 мм.
Местами, в галечниковых грунтах вскрыт валунный грунт с песчаным
заполнителем, с содержанием фракций: валунов – 53,4-58,1% (в т.ч.
негабаритных –до 10%), гальки – 31,5 -33,1 %, гравия – 6,9-8,6%, заполнителя
– 1,8-6,6 %. Преимущественные размеры валунов - 200-400 мм, (негабаритных
– 500-800 мм) гальки - 60-190 мм, гравия – 3-8 мм.
Редко, с глубины 12,5м встречаются прослои гравийного грунта с
песчаным заполнителем, с содержанием фракций: гальки – 39,3 %, гравия –
26,4%, заполнителя –34,3 %.
В районе улицы Айманова по пр. Абая в галечниках в интервале глубин
17,0-20,0 м отмечены прослои конгломератов на глинистом цементе,
мощностью 15-20 см.
В петрографическом составе валунов и гальки преобладают граниты,
крупно и среднезернистые гранодиориты, диориты и в малом количестве
песчаники. Обломки хорошо окатаны (Рк = 61,6-70 %).Форма обломков
круглая и от неудлиненных до сильно удлиненных (Кд = 0-2,17), от очень
слабо до сильно уплощенных (Кп=0,17-2,0). Часть обломков (5-10 %)
выветрелые до состояния рухляка.
Крупнообломочные грунты имеют жесткий скелет, образованный
галькой крупной, средней и гравием.
Крупнообломочный грунт устойчиво держит вертикальные откосы.
Валуны не имеют между собой контакта и изолированы друг от друга
песчано-гравийной и галечной массой. Текстура крупнообломочных грунтов
беспорядочная.
С глубиной содержание песчаного заполнителя незначительно
уменьшается, гальки и валунов увеличивается, а содержание гравия с
глубиной изменяется незначительно.
Ранее в пределах линии метрополитена, а также прилегающей
территории, были проведены опытные работы по определению плотности
крупнообломочных грунтов в целике и гранулометрического состава валовых
проб.
В таблице № 1.2 приводятся обобщенные показатели полевых рассевов
валовых проб до глубины 15,0 м и глубже 15,0 м.
Таблица 1.2 – Таблица средних значений гранулометрического состава валовых проб
крупнообломочных грунтов
Гранулометрический состав по фракциям в %
Глубина, м
>600
600500
500400
400300
300200
200100
100-10
до 15,0м
1,2
0,9
2,7
7,1
16,2
21,4
26,8
более 15,0м
1,0
-
1,2
5,6
15,9
22,7
28,9
Крупнообломочные грунты - неоднородные по плотности и
существенно различаются этим показателем по глубине и в площадном
распространении.
Ниже, в таблице 1.3 приведены нормативные значения плотности
крупнообломочных грунтов, определенной в целике в полевых условиях.
Таблица 1.3 – Таблица средних значений плотности крупнообломочного грунта,
определенная в целике в полевых условиях
К-во опредеНаименование грунта и
3
Плотность грунта, т/м
лений
глубина опробования
от
Гравийный грунт в интервале
глубин 12,5-14,5 м
Валунный грунт в интервале
глубин 10,5-12,5 м
Галечниковый грунт до
глубины 15,0 м
Галечниковый грунт глубже
15,0 м
до
нормативн
ая
2,10
1
2,19
2,31
2,25
2
2,17
2,41
2,26
32
2,13
2,43
2,27
10
Кроме того, ранее под отдельные особо ответственные сооружения,
расположенные в непосредственной близости от линии метрополитена,
проводились испытания крупнообломочных грунтов вертикальными
статическими нагрузками круглым штампом площадью 5000 см2 со свайной
анкеровкой упорной фермы. Грунты исследовались в условиях естественной
влажности. Загрузка штампа производилась ступенями по 0,5 кг/см2. Каждая
ступень нагрузки на штамп выдерживалась до условной стабилизации осадки,
за которую принималось приращение осадки штампа, не превышающее 0,1 мм
за последний час опыта, но с выдержкой не менее чем на предыдущей
ступени. Осадка штампа измерялась прогибомером ПМ-3 конструкции
Максимова. По достижении заданной нагрузки, производилась разгрузка
штампа для определения упругой деформации грунта. Разгрузка
производилась также ступенями из расчета половинной нагрузки на штамп и
конечная ступень при снятии давления со штампа.
Также были проведены опытные работы, методом выпирания монолита
грунта для испытания крупнообломочных грунтов, сопротивляемости сдвигу
в условиях природной влажности плотности.
Таблица 1.4 – частные и нормативные значения модуля деформации, плотности,
определенной в целике, удельного сцепления и угла внутреннего трения
Угол
Удельное
Местоположение
Глубина
Модуль
Плотност
внутренсцепление
проведения полевых
установки деформац ь грунта,
него
, кПа
3
опытных работ
штампа, м
ии, МПа
т/м
трения,
градус
Западнее пр. Гагарина,
4,8-5,0
70
2,32
севернее пр. Абая
Пересечение пр. Абая с пр.
Правды на территории м-на
3,0-3,4
64
2,33
№4
-"3,4-3,8
88
2,15
-"3,9-4,3
82
2,19
Микрорайон №6
3,6
65
2,40
42
27
Севернее пр. Абая, между р.
Б.Алматинка
и
ул.
3,4-4,5
44
39
Матезалка
Севернее ул. Тлендиева,
севернее пр. Абая
-"Нормативные значения
6,0
59
-
-
-
6,0
90
-
-
-
74
2,28
43
33
2 ОБЩАЯ ЧАСТЬ
2.1 Проектирование строительства метрополитена
Проектом
будут
рассматриватся
несколько
вариантов
оделкиперегонного тоннеля метрополитена.
Первый вариант обделки перегонного тоннеля метрополитена
представлен в виде монолитной железобетонной обделки, состоящей из двух
сдвоенных секций, изготовляемых в заводских условиях и устанавливаемых с
помощью козлового крана. Высота секций равна 5,3 м, а ширина каждой
секции составляет 4,6 м. Внутренний размер назначается в соответствии с
габаритом приближения строений. Поверхность обделки отстоит от габарита
на 100 мм. Толщина обделки равная 300 мм задана исходя из опыта
проектирования аналогичных по размерам и условиям заложения перегонных
тоннелей. Длина секции принимается равной 980 мм.
Во втором варианте рассмотрен перегонный тоннель метрополитена с
обделкой двухпролетной конструктивной формы, выполненной из
монолитного железобетона в виде жесткой двухпролетной рамы. Высота
секций 5,55 м, ширина 9,8 м. Внутренний размер обделки назначается
аналогично первому варианту. Толщина обделки принимается равной 400 мм,
а толщина понизу равна 450 мм.
В третьем варианте рассмотрен перегонный тоннель метрополитена с
обделкой двухпролетной конструктивной формы, выполненной из
железобетонных элементов. Обделка состоит из восьми элементов пяти типов:
двух блоков перекрытия (ребристого сечения), двух боковых стеновых, трех
лотковых и одного блока средней стенки (сплошного сечения). Ширина
блоков перекрытия и боковых стеновых 1,49 м, блоков лотка и средней стенки
– 3 м.
В средней стенке обделки по условиям эксплуатации тоннелей
предусматривают проемы шириной 1,2 м и высотой 2 м, расположенные через
3 м между их осями. Эти проемы выполняют роль ниш, предназначенных для
укрытия находящихся в тоннеле людей во время прохода поезда.
Четвертый вариант-обделка круглого очертания из блоков сплошного
сечения. Такая обделка представляет собой цилиндрическую трубу из
последовательно смонтированных колец шириной 1 м.
Внутренний радиус обделки устанавливается с учетом строительного
запаса (мм):
Rв  R0  100
,
где R0 – радиус габарита приближения строений перегонных тоннелей
метрополитена кругового очертания, равный 2450 мм.
Таким образом, внутренний радиус обделки принимается равный 2550
мм.
Высота сечения обделки определяется по формуле:
h  k3
4 Rв 2
f
,
где k – коэффициент, зависящий от материала обделки (принимается k =7,5
для класса В30);
f – коэффициент крепости грунта, равный 0,5.
h  7,53
4  2,55 2
 28см
0,5
Кольцо обделки состоит из трех типоразмеров: лотковых, замковых и
нормальных.
Центральный угол замкового элемента  з составляет:
з 
lз
360

2  Rв  h  ,
где l з – длина дуги замкового элемента, м.
з 
0,3
360

 6,4 
2  2,55  0,28 
Центральный угол плоского лотка определяется из условия:
 л  2  arcsin
Вл
2  Rв ,
где В л – ширина лоткового элемента, м.
 л  2  arcsin
2,3
 54 
2  2,55
Центральный угол нормальных элементов уточняется по формуле:
н 
360  ( з   л )
n
,
где n – количество нормальных элементов в кольце.