K005268 Дипломная работа Инженерно-геологические условия строительства

Введение

Хельсинки – столица Финляндии, является экономическим, культурным, политическим и логистическим центром страны.

На предоставленной карте города Хельсинки (Рисунок 1), отчетливо видно что все крупные дороги ведут в центр города.  

Рисунок  1 – карта г. Хельсинки с отмеченными существующими станциями Метрополитена

Белые квадраты в красных кругах – существующие станции метрополитена. То есть из восточной части города до центра легко добраться на метро, из северо-восточной, северной и северо-западной частей города можно беспрепятственно добраться до центра по существующим автодорогам на личном или городском транспорте, а также на трамваях или пригородных поездах. С западной же стороны, находится очень крупный район Эспоо в котором проживает более одной трети населения города Хельсинки. Этот район отделен от центра заливом Лаялахти, в связи с чем добраться до центра быстро можно лишь по одной транспортной эстакаде имеющей всего по одной полосе движения в каждую сторону для автомобильного транспорта и 1 полосу для велосипедного движения. Согласно приведенным выше фактам, проблема сообщения между центром и западом города очевидна. По этой причине, управление города Хельсинки приняло решение о строительстве продолжения существующей ветви метро на запад города, схема развития отражена на Рисунке 2:

 

Рисунок  2 – план развития метрополитена на запад города

Одной из важнейших станций из-за которой строящаяся ветка делает «крюк» является станция «Aalto-ylipisto» что переводится как «Универстиет Аалто». Данный университет образован путем слияния трех университетов в один, что говорит о большом количестве учащихся (более 20 тысяч), и, следовательно, о больших пассажиропотоках населения, в большинстве своем, не обладающем личным транспортом (студенты). Снимок строительной площадки из космоса представлен на Рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Снимок строительной площадки из космоса

В правом верхнем углу виден край главного корпуса университета – строительство станции производится в непосредственной близости к учебному центру.

1 Инженерно-геологические условия строительства

1.1 Физико-географические условия участка строительства

Финляндия расположена на севере Европы, значительная часть её территории находится за Северным полярным кругом (25 %). На суше граничит со Швецией (граница составляет 586 км), Норвегией (граница составляет 716 км) и Россией (граница составляет 1265 км), морская граница с Эстонией проходит по Финскому заливу, со Швецией — по некоторым местам Ботнического залива Балтийского моря.

 

Страна делится на три основных географических региона.

• Прибрежные низменности — они тянутся вдоль Финского и Ботнического заливов, вдоль берегов которых расположены тысячи скалистых островов; основные архипелаги — Аландские острова и архипелаг Турку. На юго-западном побережье сильно расчленённый берег перерастает в крупнейший в Финляндии архипелаг — Архипелаговое море — уникальное во всем мире, благодаря неповторимому множеству островов различной величины.

• Район озёр — внутреннее плато к югу от центра страны с густыми лесами и с большим количеством озёр, болот и топей.

• Северные верховья, большая часть которых расположена за Северным полярным кругом. Отличаются довольно бедными почвами. Для Лапландии также характерны скалистые горы и небольшие возвышенности. Там же, в западной части Лапландии, находится высшая точка Финляндии (1324 метра над уровнем моря), она расположена на склоне сопки Халти. Вопреки распространённому заблуждению, эта точка не является вершиной сопки (вершина Халти имеет высоту 1365 м и находится на территории Норвегии). Ранее в справочниках в качестве самой высокой точки Финляндии указывалась величина 1328 м; позже было определено, что склон Халти, имеющий такую высоту, также находится на территории Норвегии, высшая же точка на финском склоне находится на высоте 1324 м.

Город Хельсинки:

Хельсинки (Helsinki), расположившийся на юге Финляндии, на берегу Финского залива (Suomenlahti), имеет тесные исторические связи с тремя городами — Вантаа (Vantaa), Эспоо (Espoo) и Кауниайненом (Kauniainen). Вместе они образуют Столичный регион (Pääkaupunkiseudulla). Естественно, самый большой населенный пункт этого региона — сам Хельсинки, чья площадь — 716 км², при этом 500 км² занимает морская акватория.

Территория Хельсинки — это полуострова, заливы и острова, крупнейшие из них — Сеурасаари (Seurasaari), Лауттасаари (Lauttasaari) и Коркеасаари (Korkeasaari). Южный полуостров Виронниеми (Vironniemi) — это самый центр города и наиболее оживленный туристический район. Здесь находятся одни из важнейших достопримечательностей столицы

Климат столицы Финляндии умеренный, переходный от континентального к морскому. С Северного Ледовитого океана и из Северной Атлантики приходят холодные атмосферные фронты, но течение Гольфстрим теплым воздухом согревает Хельсинки. Времена года ярко выраженные, заметно отличающиеся друг от друга. Летом (с мая до середины сентября) средняя температура составляет +15 °C. Самым теплым месяцем является июнь, когда воздух может прогреваться до +30 °C, но даже в жару бриз с моря приносит прохладу. В зимние месяцы средняя температура держится в районе −4 °C. В конце января столбик термометра иногда опускается ниже −15 °C, формируется устойчивый снежный покров. Если зима выдается достаточно холодной, то даже в Хельсинки, а не только в Лапландии (Lappi), можно увидеть северное сияние.

1.2 Геологическое строение

В геологическом строении территории исследуемого участка принимают участие щелочные коренные кристаллические породы, а также четвертичные отложения, представленные, в основном, мореной напора. Незначительное расположение имеют озерно-ледниковые. болотные и склоновые образования (элювий и коллювий). Кроме того, необходимо отметить техногенные отложения, достаточно широко разбитые в пределах территории, что привело к созданию антропогенового рельефа на отдельных участках. Моренные отложения представлены преимущественно пылевато-песчаными и супесчаными грунтами зеленовато-серого цвета с включениями значительного количества гравия, гальки и валунов - до 30% и более. Отмечено незначительное снижение включений крупнообломочной фракции с ростом абсолютных отметок.

1.3 Гидрогеология

Территория Финляндии почти целиком располагается в пределах Балтийского гидрогеологического массива. Минерализация вод обычно до 1 г/л, состав в основном HCO3--Ca2+-Mg2+. В целом гидрогеологические условия проходки тоннеля благоприятные. Гидрогеологические условия характеризуются разбитием горизонта грунтовых вод со свободной поверхностью; водовмещающими грунтами являются торфа и песчаные разности моренных отложений. Кроме этого, необходимо отметить гидравлическую связь водоносного горизонта четвертичных отложений с водоносным комплексом коренных пород. Водообильность и водопроницаемость скальных пород находится в прямой зависимости от трещиноватости. В интервале абсолютных отметок -10м-(-30м) коренные породы характеризуются средней трещиноватостью. Поскольку исследуемый участок находится именно в этом интервале высот, питание водоносного горизонта происходит, как за счет инфильтрации атмосферных осадков, так и за счет гидравлической связи с трещинными водами коренных пород.

По химическому составу воды относятся к гидрокарбонатно-натриевокалиевым. слабоагрессивны по отношению к бетонам нормальной проницаемости марки \л/4 по водородному показателю и содержанию свободной углекислоты.

Наиболее обводнена соседняя станция (более 700 метров до обводненного участка). На рассматриваемом участке водопроявления не установлены.

1.4 Газоносность пород

Опасности по газу и пыли не выявлено.

1.5 Физико-механические свойства пород

В Таблице 1.1 представлены физико-механические свойства пород, залегающих на участке строительства.

Таблица 1.1 - физико-механические свойства пород

№ Описание слоя Плотность, г/см3 Показатель текучести IL Угол внутреннего трения, град Удельное сцепление, КПа Модуль общей деформации, МПа Коэффициент пористости

1 Гравийный грунт с галькой и валунами до 30%, маловлажный  1,9 - - - - 0,75

2 Песок гравелистый средней плотности с галькой и валунами до 30%, маловлажный  1,65 - 38 - 30 0,65

3 Песок гравелистый средней крупности, плотный с галькой и валунами до 30%, маловлажный  1,7 - 35 1 30 0,65

4 Песок мелкий, плотный сгравием, галькой и валунами до 20%, влажный  1,8 - 36 4 38 0,55

5 Супесь гравелистая, твердой консистенции, серая, с гравием. Галькой и валунами до 45%. 2 0,65 28 19 32 0,45

6 Хибинит среднезернистой структуры. Нетрещиноватый 2,9 - - - - -

1.6 Инженерно-геологическая оценка условий строительства

На основании геологической и гидрогеологической разведок, сделаны следующие выводы об инженерно-геологических условиях строительства:

Для создания благоприятных условий эксплуатации станционного комплекса, требуется заглубление конструкции в коренные породы для достижения благоприятных условий с точки зрения гидрологии и геологии.

Грунты достаточно крепкие и устойчивые для работ в открытом забое без временной крепи. Единственный целесообразный способ разработки грунтов, залегающих ниже 6 м от дневной поверхности земли являются буро-взрывные работы. С учетом слабой (практически отсутствующей) трещиноватости грунтов, требуется оборка поверхностей, и затем закрепление при помощи арматурных сеток в сочетании с набрызгбетонном. Оклеечная гидроизоляция не требуется, для поддержания внешнего вида тоннеля в должном состоянии, возможно использование напыляемой гидроизоляции.

2 Конструктивно-планировочное решение станционного комплекса

2.1 Определение основных размеров сооружений станционного комплекса

Исходные данные статических исследований по вопросам пассажирооборота и перспективе его роста на городском транспорте в пределах города в целом и конкретно в районе строительства станции устанавлены слдующие исходные данные:

-перспективный пассажиропоток на проектируемой линии:

П = 11750 пасс/ч

-ожидаемый пассажирооборот по проектируемой станции:

Ач= 9000 пасс/ч

2.2 Определение длины станционной платформы

Основными и определяющими размерами станционных помещений для посадки и высадки пассажиров являются длина и ширина пассажирской платформы.

Длину станционной платформы назначаем в зависимости от числа вагонов в составе, проходящих через станцию поездов.

 

n  - количество вагонов;

lв – длина вагона, 22 м

а – запас длины платформы, 8м

Число вагонов в составе определяется в зависимости от величины максимального перспективного часового пассажиропотока на проектируемой линии.

n = П*Кн*Кв/2*N*Ω = 25000*1,5*1,3*1,3/2*24*170 = 4 вагона, где

П = 10000 пасс/ч – заданный перспективный пассажиропоток на проектируем. линии;

N – пропускная способность линии на перспективу (24 пар поездов в час);

 - расчетная вместимость вагона (170 чел/вагон);

kн, kв – коэффициенты неравномерности, соответственно по направлениям (kн=1,5), наполнения вагонов (kв = 1,3);

Тогда длина платформы будет равна

Lпл = l*n + a = 4* 22 + 8 = 96м, где

l =22м – длина вагона между осями сцепных приборов,

a = 8 м – запас длины платформы.

n = 4– число вагонов в составе поезда.

2.3 Определение ширины станционной платформы

Минимальную ширину платформы только на посадку и высадку определяем исходя из допустимой плотности скопления пассажиров на платформе:

  , где

 - площадь для одного человека, находящегося на платформе; 0,75м2

kн – коэффициент неравномерности распределения пассажиров по направлениям; 1,7

kв – коэффициент неравномерности распределения пассажиров по вагонам поезда; 1,15

kг – коэффициент сбоя в графике движения поездов; 1,1

Ар – расчётный пассажирооборот на станции; 9000 пасс/ч

0,5м – ширина полоски безопасности

 

Полная ширина платформы составит

В = b + b'/ 2+ b"

b’-  рекомендуется принимать равной 3 м, основываясь на опыте эксплуатации отечественных метрополитенов

b" – величина дополнительного уширения, учитывающая наличие колонн на платформе (b"= 1м при одном ряде колонн, b" = 2м при двух рядах колонн).

В=(3.15+3/2)*2=9,3 – ширина платформы. Принимаем 10 м

Количество эскалаторов на станции определяется по формуле:

  N = Ар / Рэ  ,            где

Рэ  = 8200 чел/ч. - провозная способность одной ленты эскалатора

   N=9000/8200=1,1=2 шт (принимаем 3 шт, для работы в двух направлениях)

2.4 Варианты конструкции станции

Общие положения:

Станции метрополитена предназначены для обслуживания пассажиров и производства необходимых операций для обеспечения движения поездов. Станция метрополитена-дорогостоящее  сооружение, рассчитанное на длительный срок эксплуатации, поэтому качество выполнения конструкции должно быть на высоком инженерно-строительном уровне.

При проектировании станции метрополитена необходимо придерживаться следующих основных требований.

1. Строительные требования:

 конструкция станции должна быть прочной и надежной в эксплуатации;

 наиболее эффективный способ производства работ должен обеспечить приемлемые сроки строительства;

 максимальная механизация производства работ и индустриализация изготовления конструкций.

2. Эксплуатационные.

 Обеспечение полной безопасности движения;

 Максимальное удовлетворение требований пассажиров, с точки зрения удобства пользования метрополитеном.

 Минимальное количество обслуживающего персонала.

3. Экономические требования:

 минимальная стоимость;

 возможность применения местных производственных мощностей;

 внедрение передовых методов организации труда.

4. Архитектурные:

 наилучше и выгодное архитектурное решение станции;

 свободный обзор станции;

 единство функционального и эстетического восприятия.

5. Экологические:

 Обеспечение окружающей среды;

 Охрана памятников архитектуры и существующей застройки.

Учитывая инженерно-геологические условия участка строительства, а так же целесообразность  сооружения станции метрополитена глубокого заложения, в качестве вариантов конструктивных решений рекомендуется рассмотреть конструкции станционных комплексов, возводимых при помощи буровзрывных работ уступным способом.

Буро-взрывные работы эффективны в заданных условиях, а уход под землю обусловлен целью создания устойчивых конструкций в гранитном массиве при создании минимального количества поддерживающих конструкций. Для достижения поставленных целей подходят два варианта объемно-планировочных решений: односводчатая, и пилонная двусводчатая.

2.4.1 Вариант 1

Первый вариант станции метрополитена глубокого заложения  представляет собой двусводчатую пилонную станцию, в основе работы конструкции которой лежит теория сводообразования, с укреплением грунтового массива при помощи анкеров, арматурной сетки и набрызгбетона (торкретбетона).

В данном варианте вабраны стальные клиновые анкера длиной 0,5м, на которые навешивается сварная арматурная сетка с шагом 100мм и диаметром прутьев 5мм. Для обеспечения безопасной эксплуатации станции и создания благоприятного внешнего вида созданная стальная конструкция покрывается набрызгбетоном, обеспечивая таким образом совместную работу всей конструкции.

В средней части конструкции будет оставлен невыработанный пилон с шириной основания 4м. Перейти с одного направления движения на другое возможно только в аванс залах перед эскалаторами в любом из концов платформы.

2.4.2 Вариант 2

Данный вариант станции метрополитена глубокого заложения  представляет односводчатую станцию, в основе работы конструкции которой лежит теория сводообразования, с укреплением грунтового массива при помощи анкеров, арматурной сетки и набрызгбетона (торкретбетона).

В данном варианте вабраны стальные клиновые анкера длиной 2м, на которые навешивается сварная арматурная сетка с шагом 100мм и диаметром прутьев 5мм. Для обеспечения безопасной эксплуатации станции и создания благоприятного внешнего вида созданная стальная конструкция покрывается набрызгбетоном, обеспечивая таким образом совместную работу всей конструкции.

2.5 Сравнение вариантов

Проанализировав оба варианта с точки зрения производства работ, условий строительства и эксплуатации, приходим  к выводу, что максимально удовлетворяющим всем условия является первый вариант.

Этот вариант обладает рядом преимуществ как в период возведения тоннеля, так и в период эксплуатации:

• Площадь торкретирования и работ с арматурной сеткой значительно меньше, ниже свод.

• Больший комфорт для пассажиров за счет разделения потоков с разных направлений движения открытого пространства.

• Объем работ по разработке грунта сокращается на 30%.

3 Статический расчет

3.1 Определение нагрузок

В период эксплуатации конструкция станции метрополитена       воспринимает следующие нагрузки:

– горизонтальное давление грунта;

– вертикальное давление грунта;

Нагрузки определяются на 1 м по длине сооружения. Расчетные значения находятся путем умножения нормативных на соответствующие коэффициенты надежности согласно СНиП с учетом характера воздействия этой нагрузки, приведенные в таблице 3.1.

Коэффициенты надежности по нагрузке

Таблица 3.1.

Нагрузка Коэффициент надежности по нагрузке

вертикальное давление грунта 1,2 (0,8)

горизонтальное давление грунта 1,2 (0,8)

Примечание: значение коэффициентов надежности по нагрузке, указанные в скобках, принимаются в случае, когда уменьшение нагрузок приводит к более невыгодному загружению.

3.2 Нормативные нагрузки

 

Собственный вес конструкции и горизонтальное давление грунта в данном разделе не определяются, так как программа PLAXIS после моделирования в ней грунта с применением упругопластической модели Кулона-Мора и строительных конструкций сама моделирует эти нагрузки.

3.3 Выбор расчетной схемы

Выбор расчетной схемы произведен таким образом, чтобы она с возможно большим приближе¬нием отразила действительные условия работы конструкции в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологиче¬ских условий, конструктивных особенностей и материала конструкции, а так же принятых методов производства работ. При этом остались неизбежными определенные допу¬щения, позволяющие использовать для расчета известные ме¬тоды строительной механики.

Для расчета выделена плоская система размером 1 м по длине станции. Расчетная нагрузка приводится также на 1м станции.

Расчет произведен на ЭВМ по программе PLAXIS, позволяющей рассчитывать сложные геотехнические задачи на этапах строительства, эксплуатации и реконструкции сооружения. В основу программы заложен метод конечных элементов.

С помощью программы PLAXIS было выполнено следующее:

• Создана расчетная схем в режиме черчения cad с учетом неоднородности строения грунтового основания, геометрии сооружения, действующих нагрузок и граничных условий;

• Смоделированы грунты с применением упругопластической модели Кулона-Мора;

• Смоделированы строительные конструкции: «стены в грунте», монолитные железобетонные перекрытия и часть колонны не контактируемая с грунтом с помощью плитных элементов; анкера с помощью стержневых элементов;

• Созданы оперативные баз данных по физико-механическим характеристикам грунтов и конструкционных материалов, использованных в проектах.

 

Рисунок 3.2 - Расчетная схема конструкции подземной станции, составленная в программе PLAXIS

С помощью программы PLAXIS было получено следующее:

Оперативный визуальный анализ развития напряженного и деформированного состояний в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) на любом этапе расчетов с помощью графических материалов (таблицы, эпюры, изолинии, графики, анимационное представление).

По результатам расчета были построены эпюры моментов в стенах и своде тоннеля. Эпюра зигибающих моментов представлена на рисунке 5, напряжения создаваемые в грунте.

 

Рисунок 3.3 Эпюра изгибающих моментов

 

Рисунок 3.4 Напряжения в грунте

3.4 Анализ полученных результатов

Общая осадка конструкции (перемещения по вертикали) составила 2,1 мм, Максимальные горизонтальные перемещения стен составили 1,3 мм. Максимальные вертикальные перемещения стен составили 3,9 мм, относительные максимальные перемещения 3,9-2,1=1,8 мм. Максимальный момент создается в примыкании пяты к стене и составляет 14,8 кНм. В опоре свода момент равен 11,1 кНм.

3.5 Подбор арматуры

Подбор арматуры произведен с указаниями СНиП 52-2003 «Железобетонные и бетонные конструкции».

3.5 ЖБ обделка

Максимальный момент в обделке тоннеля по данным расчета составляет 1,48 тм, или 14,8 кНм. При подборе арматуры было рассмотрено поперечное сечение обделки размерами h = 250, b = 1000 мм.

Принятый класс бетона – B30, расчётное сопротивление бетона осевому сжатию для состояний первой группы Rb = 17,0 МПа.

Толщина защитного слоя бетона была принята равной a = 40 мм

Прочность арматуры на растяжение Rs = 365 МПа.

Порядок действий при подборе арматуры изложен в СНиП 52-2003 «Железобетонные и бетонные конструкции»:

1. Определение рабочей высоты сечения.

 

2. Примем диаметр рабочей арматуры d =5 мм.

 

3. Определение статического коэффициента α0 < 0,5

 

4. Определение коэффициента ξ

 

5. Определение коэффициента η

 

6. Тогда требуемая площадь поперечного сечения арматуры As будет равна:

 

Таким образом, исходя из расчетов, принято решение установить арматурную сетку из конструктивных соображений.

Сетка с диаметром прутков 5мм, шаг прутков 100мм.

3.5.1 Внутренние конструкции

Внутренние (плаформенные) опорные конструкции воспринимают незначительную часть общей нагрузки, действующей на сооружение, поэтому достаточно ограничиться конструктивным армированием при их сооружении. Согласно СП 63.13330.2012 “Конструкции бетонные и железобетонные”  конструктивная арматура  для монолитных железобетонных стен – арматура А-III диаметром 12мм с шагом 200мм.

4 Буровзрывные работы

Разработка полускальных и скальных грунтов с коэффициентом крепости более 2 осуществляется буровзрывным способом. В городе Хельсинки коэффициент крепости коренных грунтов равняется 10. Из этого следует, что единственный целесообразный способ разработки грунта и есть буровзрывной.

4.1 Определение параметров буровзрывных работ

В соответствии с геологическими условиями в качестве взрывчатого вещества был выбран аммонит №6 прессованный со следующими характеристиками:

• плотность, ∆=1,25 г/см3=1250 кг/м3;

• коэффициент работоспособности, е=0,9;

• диаметр патрона, dп = 65 мм.

Удельный расход ВВ с учётом его работоспособности определен по формуле:

   ;

где е - коэффициент работоспособности ВВ;

ψ - коэффициент влияния плотности заряжения;

ω - коэффициент структуры и трещиноватости грунтового массива;

S - площадь сечения забоя.

Линия наименьшего сопротивления (ЛНС) отбойных шпуров определена по формуле:

    ;

где к - коэффициент зажима;

d - диаметр шпура, м;

γ - объёмная масса грунта, кг/м3.

Так как при обуривании забоя будут применены мощные бурильные установки и тяжёлые бурильные машины, вруб принят прямым призматическим с расстоянием между врубовыми зарядами 25 см с устройством незаряженной скважины в центре.

Расстояние между отбойными шпурами принято равным 0,8 м ((0,8-0,95)*W0), между подошвенными - ап=0,8 м ((0,7-0,9)*W0), между контурными – ак=0,58 м (0,6W0).