Методы расчета тоннелей, выполненных из опускных секций, на сейсмические воздействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат наук Нгуен Ван Хунг

• Нгуен Ван Хунг
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Хунг

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6 ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЕЙ ИЗ ОПУСКНЫХ СЕКЦИЙ

1.1 Введение

1.2 Способы постройки

1.2.1 Изготовление и транспортировка секций

1.2.2 Монтаж

1.2.3 Обратная засыпка

1.3 Типы соединений между смежными секциями

1.3.1 Резиновое уплотнение и тросы для предварительного напряжения

1.3.2 Стыки (соединения) с волнообразными стальными листами

1.4 Преимущества тоннелей из опускных секций

1.5 Заключение

ГЛАВА 2 СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

2.1 Введение

2.2 Основные характеристики землетрясения

2.2.1 Источники землетрясения

2.2.2 Сейсмические волны

2.3 Сейсмические воздействия на тоннель из опускных секций

2.3.1 Разжижение грунтов

2.3.2 Пересечение разломов

2.3.3 Колебание грунта и деформация

2.4 Анализ сейсмической опасности 30 2.4.1 Проектное землетрясение (ПЗ)

2.4.2 Максимальное расчётное землетрясение (МРЗ)

2.5 Особенности расчёта тоннелей на сейсмические воздействия

2.5.1 Аналитическая модель тоннеля в виде балки на упругом основании

2.5.2 Мульти-массовая модель на упругом основании

2.5.3 Метод конечных элементов и программные комплексы

2.6 Выводы

ГЛАВА 3 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕДАХ

3.1 Вводные замечания

3.2 Оценка области применения теории Гассмана для определения упругих констант водонасыщенной среды

3.3 Особенности распространения волн напряжений в гранулированных средах

3.4 Среда, состоящая из плотно упакованных сфер, расположенных в жидкости

3.5 Заключение по результатам исследований

ГЛАВА 4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В СЛОИСТЫХ ГРУНТАХ

4.1 Вводные замечания

4.2 Оценка уровней колебаний при распространении продольных волн

4.3 Оценка уровней колебаний при распространении поперечных волн

4.3.1 Решение при постоянных значениях модулей сдвига в каждом слое

4.3.2 Решение при переменных значениях модулей сдвига внутри каждого слоя модули сдвига

4.4 Выводы

ГЛАВА 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В ОБДЕЛКАХ ПРИ

РАСПРОСТРАНИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН, НАПРАВЛЕННЫХ ВДОЛЬ

ОСЕЙ ТОННЕЛЕЙ

5.1 Введение

5.2 Исходные данные, используемые для расчёта

5.2.1 Характеристики резиновых прокладок

5.2.2 Коэффициент постели основания

5.3 Метод совместных деформаций 72 5.3.1 Деформация в местах соединения секций

5.4 Метод расчёта, учитывающий взаимодействие тоннельной обделки и массива грунта

5.4.1 Модель бесконечной балки на упругом основании

5.4.2 Расположение тоннелей в однородных грунтах

5.5 Выводы

ГЛАВА 6 НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТА ПРИ ПАДЕНИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА ГРУНТА И ЖИДКОСТИ

6.1 Вводные замечания

6.2 Исходные данные и расчётная схема

6.3 Дифференциальные уравнения и решения с использованием интегрального преобразования Фурье и потенциальных функций перемещений

98

6.4 Определение напряжённо-деформированного состояния грунта при падении сейсмических волн на границу раздела сред

6.4.1 Напряжённо-деформированное состояние грунта при падении продольных волн на границу раздела сред

6.4.2 Напряжённо-деформированное состояние грунта при падении поперечных волн на границу раздела сред

6.5 Выводы

ГЛАВА 7 НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТА ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН РЭЛЕЯ

7.1 Введение

7.2 Сейсмическое воздействие

7.3 Определение доминирующей частоты сейсмических колебаний из акселерограмм

7.4 Исходные данные

7.5 Дифференциальные уравнения движения грунтового массива и граничные условия

7.6 Пример тоннельной обделки на воздействие волны Рэлея

7.7 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы расчета тоннелей, выполненных из опускных секций, на сейсмические воздействия»

ВВЕДЕНИЕ

Традиционно протяжённые транспортные переходы через проливы и широкие реки выполняются с использованием мостов. В некоторых случаях для пропуска высокотоннажных судов приходится располагать пролётные строения на высоких опорах. Это усложняет конструкцию и приводит к необходимости удлинять подходы к мостам.

В течение последних 100 лет на автомобильных и железнодорожных трассах при пересечении водных преград во многих странах было построено более 120 подводных тоннелей [37]. Обычно подводные тоннели состоят из плавучих сегментов (опускных секций) длиной 100-150 м. Как правило, секции сооружаются в сухих доках, торцы секций герметизируются временными специальными водонепроницаемыми перегородками, после чего транспортируются к месту установки (предварительно вырытой траншее) и опускаются на место с помощью специальных погружающих установок. Соединение двух соседних сегментов осуществляется под водой, для обеспечения водонепроницаемости соединений используются специальные резиновые прокладки.

Несмотря на необходимость специального оборудования, эти тоннели имеют определённые преимущества по сравнению с тоннелем, сооружаемым горным и щитовым способом. Протяжённость этих тоннелей сравнительно меньше, так как они расположены на дне водоёмов с небольшим заглублением, поэтому сводится к минимуму давление на обделку. Кроме того сооружение секций осуществляется на берегу, что позволяет ускорить строительство, используя современные технологии и обеспечить высокое качество работ.

Большое количество тоннелей из опускных секций построены в сейсмоопасных районах. Как следует из аналитической работы [61] в 1997 г. из 108 существующих и строящихся подводных тоннелей, 42 были расположены в "зонах повышенной сейсмичности".

В диссертации приводится краткая информация об особенностях строительства тоннелей из опускных секций. Анализируется явление землетрясения и его воздействия. Анализируются существующие методы расчёта по разрушениям

тоннелей, вызванных землетрясениями, описываются современные методы расчёта тоннелей на сейсмостойкость. Описываются инженерные подходы и данные, используемые для количественной оценки сейсмического воздействия на тоннели из опускных секций.

Актуальность темы исследования.

Во Вьетнаме и в России многие районы, в которых расположены и проектируются транспортные магистрали, характеризуются повышенной сейсмической активностью. На территории Вьетнама в последние годы произошло более тысячи землетрясений различной интенсивностью, среди которых следует отметить, что 11 землетрясений имели уровни 8 баллов и 60 уровни 7 балов по шкале MSK-64. В нормах Вьетнама по сейсмостойкому строительству отсутствуют указания по проектированию сейсмостойких тоннелей из опускных секций. Большинство тоннелей из опускных секций расположены в мягких грунтах, в которых интенсивность землетрясений выше, чем в коренных породах. Кроме того, при проектировании тоннелей, расположенных в водонасыщенных донных отложениях, возникает проблема определения напряжённо-деформированного состояния грунта при падении сейсмических волн на границу раздела грунта и воды. Такая проблема в настоящее время недостаточно хорошо изучена.

Поэтому разработка методов оценки и защиты от сейсмических воздействий тоннелей из опускных секций является в настоящее время актуальной проблемой.

Степень разработанности темы исследования.

Исследованиями в области сейсмостойкости сооружений занимались Амосов A.A., Айзенберг Я.М., Акопян А.Е., Бирбраер А.Н., Дашевский М.А., Дорман И.Я., Корчинский И.Л., Курбацкий E.H., Левшин А.Л., Назаров Ю.П., Пузырев H.H., Павлов О.В., Смирнов В.И., Ставницер Л.Р., Тимошенко С.П. и другие авторы.

Из учёных других стран, работающих в этой области, следует отметить: Asakura T., Borcherdt R.D., Dowding С.Н., Hashash Y.M.A., Hook J.J., Kontogianni V., Lanzano G., Matsunaga T., Matsuoka S., Newmark N.M., Oya T., Owen G.N., Penzien J., Power M.S., Rozen A., Shiba Y., Schmidt В., Scholl R.E., St. John C.M., Tsukada K., Wang J., Yashiro K., Zahrah T.F. и др.

Исследованиями в области строительства тоннелей из опускных секций занимались Демешко Е.А, Храпов В. Г., Ледяев А.П., Шапошников H.H., Сонин А. H, O.Kiyomiys, Chris J. A Hakkaart, Wim's Hart, J. Grant Robertson

Несмотря на многочисленные исследования в области сейсмостойкости подземных сооружений, при проектировании тоннелей из опускных секций у проектировщиков возникает целый ряд вопросов. На основании проведённого обзора и анализа литературных источников были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования', разработка методов расчёта тоннелей, выполненных из опускных секций на сейсмические воздействия.

Объект исследования: тоннели из опускных секций, расположенные в зонах повышенной сейсмичности.

Предмет исследования: напряжённо-деформированное состояние тоннельных обделок при сейсмических воздействиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• разработать модели, позволяющие определять скорости распространения сейсмических волн в водонасыщенных средах;

• разработать методики и программы для оценки параметров колебаний в слоистых грунтах при сейсмических воздействиях;

• разработать методики оценки напряжённо-деформированного состояния тоннельной обделки при распространении продольных и поперечных волн вдоль оси тоннелей;

• разработать методику, позволяющую оценить напряжённо-деформированное состояние тоннелей при воздействии поверхностных волн Рэлея;

В работе представлены результаты теоретических исследований, выполнен анализ и сравнение решений, полученных разными методами. Научная новизна исследования:

- Разработана модель гранулированных водонасыщенных сред, позволяющая определять скорости распространения сейсмических волн в придонных отложениях.

- Разработана методика и подпрограмма для оценки параметров колебаний в слоистых грунтах при сейсмических воздействиях, в любом слое многослойного массива.

- Разработан упрощённый метод оценки взаимодействия тоннельной обделки и грунтового массива при динамических воздействиях.

- Разработан метод решения задач, учитывающих взаимодействие обделки тоннелей из опускных секций и грунтового массива.

- Разработана методика определения напряжённо-деформированного состояния массива грунта на границе с водной средой при распространении сейсмических волн.

- Разработана методика определения напряжений и перемещений грунтового массива, возникающих при распространении поверхностных волн Рэлея.

Теоретическая практическая значимость работы.

Полученные результаты можно использовать для оценки воздействия землетрясений на тоннели из опускных секций во Вьетнаме и в России.

Результаты исследований предполагается использовать при разработке Национального нормативного документа «Сейсмостойкость транспортных тоннелей».

Методология и методы исследований включает построение математических моделей тоннелей, их численный и аналитический анализ, сопоставление результатов, полученных разными методами, разработку предложений по использованию полученных результатов в инженерной практике.

Положения, выносимые на защиту:

- разработанная модель гранулированных водонасыщенных сред, позволяющая определять скорости распространения сейсмических волн в месторасположении тоннелей.

- методика оценки параметров колебаний в слоистых грунтах при сейсмических воздействиях, в любом слое многослойного массива.

- упрощённый метод оценки взаимодействия тоннельной обделки и грунтового массива при динамических воздействиях.

- метод решения задач, учитывающих взаимодействие обделки тоннелей из опускных секций и грунтового массива.

- методика определения напряжённо-деформированного состояния грунтового массива на границе с водой при распространении сейсмических волн.

- методика определения напряжений и перемещений грунтового массива, возникающих при распространении поверхностных волн Рэлея.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность. При разработке метода решения задач используются известные положения теории упругости и теории распространения волн, интегральное преобразование Фурье.

Достоверность исследований подтверждается достаточно хорошим совпадением результатов, полученных с использованием аналитических и численных методов, а также с результатами более ранних исследований другими авторами.

Апробагртработы. Основные научные результаты докладывались:

- на научно-практической конференции «Неделя науки-2013. Наука МИИТа -транспорту» в МИИТе г. Москва 25 апреля 2013.

- на конференции «Потенциал интеллектуально одаренной молодежи -развитию науки и образования» в Астрахани, 20-24 мая 2013.

- на конференции «Перспективы развития строительного комплекса», в Астрахани, 28-31 октября 2013.

- на конференции «Российский опыт строительства метрополитена в Москве. Тенденции. Проблемы. Перспективы», 15 октября, 2014. ВВЦ.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Курбацкий, E.H. Определение скоростей распространения волн напряжений в гранулированных сухих и водонасыщенных средах [Текст] / E.H. Курбацкий, Нгуен Ван Хунг // Строительство и реконструкция. - 2014. - № 4(54). - С. 17 -25.

2. Курбацкий, E.H. Транспортные тоннели из опускных секций [Текст] / Е.Н Курбацкий, Нгуен Ван Хунг // Мир транспорта. - 2014. - № 6(55). - С. 160 -173.

3. Курбацкий, E.H. Напряженно-деформированное состояние грунта при распространении поверхностных волн Рэлея [Текст] / E.H. Курбацкий, Нгуен Ван Хунг // Известия высших учебных заседаний. Строительство. - 2015. -№1(673).-С. 15-27.

В других изданиях

4. Нгуен Ван Хунг. Расчёт балки на упругом основании с разными коэффициентами постели на основе преобразования Фурье обобщенных финитных функций [Текст] / Нгуен Ван Хунг// Инженерные сооружения на транспорте: Сборник трудов/ под общ. Ред. Проф. Ю. И. Романова. МИИТ. -Москва, 2012. - Вып.4. - С. 96 - 100.

5. Нгуен Ван Хунг. Расчёт балки на упругом основании при изменении геологических характеристик по горизонтали [Текст] / Нгуен Ван Хунг, E.H. Курбацкий // Потенциал интеллектуально одаренной молодежи - развитию науки и образования. Материалы II международного научного форума молодых ученых, студентов и школьников. Г. Астрахань, 20-24 мая 2013г./под общ. Ред. В. А. Гутмана, А. JI. Хаченьяна.-Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013. - С. 114 - 120.

6. Курбацкий, E.H. Распространение продольных сейсмических волн в водонасыщенных грунтах [Текст] / E.H. Курбацкий, Нгуен Ван Хунг // Перспективы развития строительного комплекса: Материалы VI Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых учёных и студентов. 28-31 октября 2013

г. /под общ. ред. В. А. Гутмана, А. Л. Хаченьяна.-Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013. - Т.2. - С. 11 - 16. 7. Нгуен Ван Хунг. Оценка области применимости уравнений Гассмана при решении задач распространения сейсмических волн в водонасыщенных средах [Текст] / Нгуен Ван Хунг // Инженерные сооружения на транспорте: Сборник трудов/ под общ. ред. Проф. Ю. И. Романова. МИИТ. - Москва, 2013. -С. 94-95.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения с изложением основных результатов и выводов, списка использованных источников из 75 наименований и содержит 139 страниц, 98 рисунков и 9 таблиц.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, её научной новизне, установленной практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 6 «Разработка новых методов расчёта, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений в условиях действия динамических и сейсмических нагрузок»; пункту 9 «Разработка научных основ и основных принципов создания новых, теоретически и экспериментально обоснованных моделей грунтовых сред и основанных на их использовании методов определения свойств грунтов, расчёта оснований, фундаментов и подземных сооружений».

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЕЙ ИЗ

ОПУСКНЫХ СЕКЦИЙ 1.1 Введение

Существует большое количество типов транспортных тоннелей и способов строительства: щитовой метод, ново-австрийский, горный, способ с использованием комбайнов, буровзрывной способ и способ сооружения подводных тоннелей из опускных секций. Каждый из способов имеет определённые преимущества и недостатки. Выбор типов тоннелей и способов сооружения зависит от экономических показателей, места расположения стройплощадки и продолжительности строительства. В настоящей главе представлено описание способа строительства подводных тоннелей из опускных секций.

Строительство первых подводных тоннелей было выполнено в начале 1900-х годов в США и немного позже в Европе. Поперечные сечения первых подводных тоннелей, как правило, были круглыми, в качестве материала использовались сталь и чугун. В 1930-х годах в Европе [29] были построены тоннели из железобетона с прямоугольными поперечными сечениями. Наибольшее распространение подводные тоннели из опускных секций получили в США, Нидерландах, Японии. В этих трёх странах построено приблизительно 80% от общего количества подводных тоннелей, сооружённых во всём мире. В 1980 году этим способом был построен двухполосный автодорожный тоннель длиной около 1км под Морским каналом в Санкт-Петербурге. Общая длина тоннельного перехода, включая железобетонные рамповые участи-924 м, в том числе 375 м - участок опускных секций (5 секций длиной по 75 м каждая). В настоящее время в мире построено и эксплуатируется более 120 тоннелей из опускных секций различного назначения с разными поперечными сечениями (рисунок 1.1 [21]). Это автодорожные тоннели, железнодорожные тоннели: однопутные и двухпутные, а также, тоннели для одновременного пропуска железнодорожных поездов и автотранспорта.

Рисунок 1.1- Типы поперечных сечений тоннелей из опускных секций и

места их постройки 1.2 Способы постройки Тоннели из опускных секций состоят из элементов, сконструированных таким образом, чтобы после установки временных водонепроницаемых перегородок на обоих торцах секций, тоннельный элемент мог быть транспортирован в плавучем состоянии к месту установки. Тоннельные элементы один за другим опускаются в заранее подготовленную в морском дне траншею и соединяются. Затем траншея засыпается грунтом для сохранения рельефа морского дна. Исследованиями в области строительства тоннелей из опускных секций занимались Демешко Е. А, Храпов В. Г., Ледяев А. П., Сонин A. H, O.Kiyomiys, Chris J.A Hakkaart, Wim's Hart, J. Grant Robertson и др. [15,7,16,17,20,27,43].

1.2.1 Изготовление и транспортировка секций

Тоннельные элементы изготавливаются на берегу или в сухом доке. Необходимо создать стройплощадку требуемого размера и связанную водными путями с местом установки секций. Размеры сухих доков должны быть такими, чтобы в них можно было сооружать несколько или даже одновременно все элементы подводного тоннеля (рисунок 1.2). Размеры доков обычно зависят от возможностей использования пространства на берегу вблизи строительной площадки. Хотя известны случаи, когда готовые секции транспортировались по

морю на расстояния до 45 км. Выбор мест расположения доков и их размеры определяются исходя из экономических расчётов.

Рисунок 1.2 - Сухой док с готовыми элементами для подводного тоннеля Тху Тхием в городе Хо Ши Мин (Вьетнам)

На рисунке 1.3 представлена схема изготовления опускных секций в доке-шлюзе [8].

Рисунок 1.3 - Схема изготовления опускных секций в доке-шлюзе: 1-ограждающие дамбы; 2-док; 3-тоннельные секции; 4-уровень воды при затоплении дока; 5-перемычка; 6-шлюз; 7-уровень воды в шлюзе при выводе секций; 8-протока для вывода секций в русло; 9- русло водотока

После завершения строительства секций и установки временных перегородок на торцах, тоннельные элементы буксируются к месту установки.

Рисунок 1.4 - Буксировка подводного тоннельного элемента Буксировка тоннельных элементов может выполняться буксирами, если они обладают достаточной плавучестью, или на баржах (рисунок 1.4).

1.2.2 Монтаж

После транспортировки к месту установки тоннельные элементы последовательно погружаются один за другим. Тоннельный элемент с положительной плавучестью загружается балластом (водой) и погружается в готовую траншею с помощью подъёмных кранов, установленных на баржах. Процесс погружения секций тоннеля показан на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Схема погружения секции тоннеля в готовую траншею[41]

На одном из торцов секций устанавливается резиновая прокладка. Назначение этих прокладок состоит в том, чтобы обеспечить герметичность соединения между двумя смежными секциями, т.е. обеспечить водонепроницаемость сооружения. На рисунке 1.6 представлены прокладки между секциями до и после соединения [64].

Рисунок 1.6 - Схема соединений между секциями с помощью прокладок

а) до стыковки; б) после стыковки На рисунке 1.7 показана схема соединения элементов с использованием стыковой камеры. Смежные тоннельные элементы притягиваются друг к другу, при этом резиновое уплотнение подвергается предварительному обжатию. Пространство стыковой камеры герметизируется и, при выпуске из него некоторого количества воды, гидростатическое давление на свободный противоположный торец стыкуемой секции становится неуравновешенным и сжимает стык с усилием в несколько десятков тысяч килоньютонов[15].

Рисунок 1.7- Схема стыковой камеры 1.2.3 Обратная засыпка Для фиксации тоннельных секций в проектном положении, а также в целях предохранения конструкции от повреждения затонувшими судами, якорями судов, лотами и тралами устраивается обратная засыпка тоннеля.

Обратная засыпка над тоннелем и с обеих сторон тоннеля выполняется для того, чтобы предотвратить несбалансированные боковые нагрузки на конструкцию. При выполнении засыпки максимальная разница уровней засыпки не должна

превышать 1 метр. Материалы засыпки, подвергающиеся воздействию волн и течений, не должны повреждать внешнюю поверхность обделки. Материал, используемый для обратной засыпки, и породы, используемые для защиты обделки от повреждений, должны укладываться таким образом, чтобы не были повреждены гидроизолирующие мембраны (если они есть), гидроизоляция тоннеля.

1.3 Типы соединений между смежными секциями

Тоннели из опускных секций строятся в относительно мягких грунтах, а иногда тоннели пересекают грунты разной жёсткости (коренные породы на берегах и осадочные породы в руслах проливов). Поэтому для поглощения больших деформаций, возникающих из-за разных осадок и сейсмических воздействий, используются гибкие соединения между секциями. Все подводные соединения секций должны быть водонепроницаемыми в течение срока эксплуатации и при этом должны обеспечивать относительные расчётные перемещения, вызванные изменениями температур, оползнями, осадками и землетрясениями.

Различные типы стыков между секциями тоннелей представлены в следующих параграфах.

1.3.1 Резиновое уплотнение и тросы для предварительного напряжения

Это соединение состоит из тросов для предварительного напряжения и резиновой прокладки типа (вша). Тросы создают предварительное напряжение и сопротивление силам растяжения, резиновая прокладка находится в сжатом состоянии. На рисунке 1.8 представлен чертёж соединения секций резиновой прокладкой и тросом предварительного напряжения.

Резинная прокладка

Вторая герметизированная резина

7 Лм"[ " СШ' МЛ • -<".•»

V.. . . • — •' , » . 'V

у",-/ (■■'.■•■ /у.;-.'

'■••"•■■•■••'> -г*-.-*-'--

Кабель

м ?>. ,

црвдваритълыюто напряжения'

_:_:_ У 4 щ

Рисунок 1.8 - Схема соединения секций с резиновой прокладкой и тросом

Жёсткость при растяжении определяется механическими свойствами тросов кабеля предварительного напряжения. Жёсткость при сжатии определяется свойствами резиновых прокладок, которая, как правило, является существенно нелинейной.

Тоннели из опускных секций сооружаются на разных глубинах и в районах с разными сейсмическими воздействиями, поэтому в настоящее время разработано большое количество резиновых прокладок разных типов и видов (рисунок 1.9) [55,64].

Compre asi v« Dispiecerrmnt (cm)

(Ь)

Рисунок 1.9 - Некоторые типы резиновых прокладок и зависимости их

деформаций от нагрузки Гибкие соединения обычно состоят из первичного и вторичного уплотнения. Вторичное уплотнение обычно требуется в случае разрушения первичного уплотнения. Это уплотнение, как правило, изготовлено из хлоропренового каучука с поперечным сечением, похожим на букву омега. Эти уплотнители так и называют: уплотнители типа Омега (рисунок 1.10).

Материалы уплотнителей проверяют на устойчивость от коррозионных воздействий воды и грунта, масла, кислорода, озона, тепла и т.д. Уплотнители Омега обладают уникальными свойствами: выдерживают высокое давление воды в сочетании с подвижностью во всех направлениях. Уплотнители Омега часто

представляют собой идеальное решение для тоннелей, пересекающих зоны разлома в местах с большим перепадом температур, так же для обеспечения герметичности при сильных осадках [65].

Рисунок 1.10- Тип поперечного сечения уплотнения Омега 1.3.2 Стыки (соединения) с волнообразными стальными листами

Соединение с волнообразными стальными листами представляет собой шарнир, имеющий высокую деформативность, широко используется для поглощения деформации из-за термического расширения, сжатия и землетрясений. Соединение состоит из двойных тонких стальных листов, изогнутых в виде волны как меха гармони, (рисунок 1.11а). Толщина листа составляет приблизительно 14 мм. Основной элемент соединения - плоская пластина, которая деформируется в форму волны с помощью гидравлического пресса.

Соединение обеспечивает смещение в продольном направлению до ±100мм [34]. Соединения с резиновыми прокладками и тросами предварительного напряжения таких перемещений не допускают.

Соединения с волнообразными стальными листами обладает достаточно высокой поперечной жёсткостью (на сдвиг). Для предотвращения коррозии в морской воде используется катодная изоляция.

На рисунке 1.116 показана зависимость между перемещением и силой вдоль оси, полученная при испытании типичного стыка [56]. Внутренняя линия соответствует нагрузке при проектном землетрясении (ПЗ). Внешняя линия соответствует нагрузке при максимальном расчётном землетрясении (МРЗ). Первый уровень нагрузки соответствует расчётному сроку службы около 100 лет. Второй уровень соответствует периоду повторяемости землетрясения около 500 лет.

Ш____Nfo

Displacement (mm)

Рисунок 1.11- Стыки с волнообразными стальными листами а) схема волнового стального стыка; б) график зависимости деформации стыка от испытательной нагрузки 1.4 Преимущества тоннелей из опускных секций

Большое количество построенных и эксплуатируемых в мире транспортных переходов, включающих в себя тоннели из опускных секций, свидетельствует о преимуществах таких проектов, по сравнению с другими типами транспортных переходов. Отметим некоторые преимущества тоннелей из опускных секций.

Длина тоннелей из опускных секций меньше длины тоннелей, построенных щитовым способом для аналогичных условий, что уменьшает затраты.

Подводные тоннели, элементы которых сооружаются на берегу, могут иметь различные поперечные сечения. Поперечное сечение тоннелей, сооружаемых щитовым способом, обычно имеет круглую форму.

Мосты и тоннели сооружаемые щитовым способом, требуют относительно хорошего состояния грунтов. Подводные тоннели можно располагать на различных грунтах, включая мягкие аллювиальные, из которых обычно состоят донные отложения.

Хотя строительство подводного тоннеля требует использования большого пространства для строительного сухого дока, но учитывая, что сухой док может располагаться на любых расстояниях от стройплощадки, эта проблема не является неразрешимой, поэтому имеется возможность сооружения подводных тоннелей в городских условиях.

По сравнению с тоннелями, сооружаемыми щитовом способом, или строительством моста, большая часть работ при сооружении опускных секций выполняется на берегу в строительном доке. Это упрощает процесс строительства, улучшает контроль качества, уменьшает многие неопределённости, возникающие в процессе сооружения.

1.5 Заключение

Подводные тоннели, как правило располагаются на небольших глубинах в мягких или рыхлых грунтах. Поэтому тоннели, выполненные из опускных секций в большей мере подвержены колебаниям при сейсмических воздействиях.

Разжижение сыпучих несвязных грунтов может привести к неравномерным осадкам, всплытию и боковому смещению. Колебания грунта при землетрясениях может вызвать перемещения мягких глинистых слоёв на склонах. Подвижные соединения секций тоннелей с одной стороны должны позволять относительные смещения и повороты секций, а с другой стороны обеспечивать водонепроницаемость.

Все это требует выполнения тщательного расчёта конструкций обделки, элементов шарниров и элементов, обеспечивающих водонепроницаемость.

ГЛАВА 2 СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

2.1 Введение

Землетрясение-подземные толчки и колебания земной поверхности, передающиеся на большие расстояния в виде колебаний, возникающих в результате разрывов в земной коре или верхней части мантии земли и внезапных смещений пород.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Хунг, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амосов, A.A. Основы теории сейсмостойкости сооружений / A.A. Амосов, С.Б. Синицын. - Изд-во АСВ, 2001. - 96 с.

2. Дорман, И.Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей / И.Я Дорман.- М.: ТИМП, 2000.-307 с.

3. К. Роджерс. Укладки и покрытия / К. Роджерс. - М.: Мир, 1968.

4. Корчинский, И. JI. Сейсмостойкое строительство зданий/ И. JI. Корчинский, J1. А. Бородин, А. Б. Гроссман и др. Учеб. пособие для вузов. - М.: « Высш. школа», 1971.-320 с.

5. КурбацкийЕ. Н., Метод решения задач строительной механики и теории упругости, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций. Дис. ...док. тех. наук. Миит, Москва, 1995. -205с.

6. Курбацкий E.H., Голосова О. А. Особенности распространения волн напряжений в природных и искусственных гранулированных средах/ E.H. Курбацкий, Голосова О. А// Строительная механика и расчет сооружений. -2011. - № 2. - С. 45-50.

7. Ледяев А. П. Автотранспортные тоннели в дельте реки Невы : диссертация ... доктора технических наук: 05.23.15. - Санкт-Петербург, 1996. - 343 с.

8. Маковский, В.Л. Подводное тоннелестроение: научное издание / В.Л. Маковский. - Москва: Транспорт, 1983. - 182 с.

9. Назаров, Ю.П. Расчетные модели сейсмических воздействий / Ю.П. Назаров. - М.: Наука, 2012. - 414 с.

10. Ньюмарк, Н. Основы сейсмостойкого строительства / Н.Ньюмарк, Э.Розенблюэт; Сокр. пер. с англ./Под ред. Я. М. Айзенберга. - М.: Стройиздат, 1980.-344 с.

11. Происхождение зeмлeтpяceний-http://www.myshared.ru/slide/142914/

12. Разжижение грунта в Тиба, Япония http://www.vseneprostotak.ru/201 l/04/razzhizhenie-grunta-v-tiba-yaponiya/

13. Сорокин Е.С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем / Е.С. Сорокин. - Академия строительства и архитектуры СССР. ЦНИИС строительных конструкций. - М.: Госстройиздат, 1960. - 131 с.

14. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ / Под ред. Г. С. Шапиро-2-e изд-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 560с.

15. Храпов, В. Г. Тоннели и метрополитены: Учебник для вузов/ В. Г. Храпов, Е. А. Демешко, С. Н. Наумов и др. - Подред. В. Г. Храпова. - М.: Транспорт, 1989, 383 с.

16. Храпов В.Г. Использование схемы балки на упругом основании для расчета, подводных тоннелей из опускных секций / В.Г. Храпов, А.Н. Сонин // Сб.научных трудов ВЗИИТа. М, 1975, вып.72.

17. Храпов В.Г. Определение продольных усилий в конструкции подводного тоннеля из опускных секций / В.Г. Храпов, А.Н. Сонин // Тр. МИИТа., 1974, вып. 463.

18. Шерифф Р., Гелдарт Л. Ш49 Сейсморазведка: В-х т. Т.1. Пер. с англ.-М.: Мир, 1987.-448 с, ил.

19. Шнюков, Е. Ф. Геология шельфа УССР. Керченский пролив/Е. Ф. Шнюков, В. М. Аленкин, Путь А. Л. И др.-Киев: Думка ,1981. - 160 с.

20. Ahmet Gursoy State of the art report on Immersed and Floating Tunnel Technology Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 12, No. 2 1997.

21. An Owners Guide to Immersed Tunnels, ITA Working group 11 for Immersed and Floating Tunnels- ITA Report № 007-Shotcrete for Rock support-a summary report on state of the art-№ ISBN:0978-9700624-5-5/OCT 2011.

22. American Society of Civil Engineers (ASCE) "Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems", Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering", Committee on Gas and Liquid Fuel Lifelines, (1984), ASCE, New York.

23. Asakura T., Tsukada K., Matsunaga T., Matsuoka S., Yashiro K., Shiba Y., and Oya T. Damage to mountain tunnels by earthquake and its mechanism. Proceedings of JSCE (Japan Society of Civil Engineers) 659, 2000, p. 27-38.

24. Arnold Verruijt-Soil Dynamics, Delft University of Technology 1994,2005

25. Biot M.A Theory of propagation wave in a fluid-saturated Porous Solid (I. Low frequency range, II. Higher frequency range) // J. Acoust. Soc. Amer. 1956. V. 28. P . 168-181.

26. Biot M. A. Theory if propagation of elastic waves in a fluid-sturated porous solid. I: Low-frequency range. J. Acoust. Soc. Ame. 28,1956a. 168-178.

27. Chris J.A Hakkaart, Wim's Hart Dutch High Speed Railway Immersed Tunnel Projects. International Tunnelling Association (Re) Claiming the Underground Space Vol. lpp. 291-296.

28. DAEWOO, 2004. Busan-Geoje Fixed Link - Immersed Tunnel, Seismic Analysis and Design. Daewoo Engineering & Construction CO. Ltd.

29. DGF, 2005. Funderingshandbogen. DGF-bulletin no. 18. Danish Geotechnical Society. ISBN 87-89833-16-3.

30. Dowding, C. H., Rozen, A., 1978. Damage to rock tunnels from earthquake shaking. J. Geotech. Eng. Div., ASCE 104 (GT2), 175-191.

31. Gassman F.Elastic waves through a packing of spheres Geophysics, 16 and 18, 1951b, 673-585 and 269.

32. George: Sound Velocity vs. Temperature in Water-saturated Sediments, Geophysics, vol. 23, pp. 494-505, 1958.

33. Hashash, Y.M.A., Hook, J.J., Schmidt, B., Yao, J.I-C.. Seismic design and analysis of underground structure. Tunn. Undergr. Sp.Technol. 16,2001, 247-293.

34. Hideo Kimura, Hiroo Moritaka, Ichio Kojima-development of Sandwich-Structure Submerged Tunnel Tube Production Method, Nippon steel technical report No. 86 July 2002.

35. http://weblearningplaza.ist.go.ip/

36. Hwang, H. and Lee, C.S. (1991). 'Parametric Study of Site Response Analysis." Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 10 (6), 383-290.

37. Idriss I.M. (1990). "Response of Soft Soil Sites During Earthquakes." Proceedings of the H. B. Seed Memorial Symposium, Berkeley, California, 2, 273-289.

38. Idriss, I. M., and Sun, J. I. (1992). "SHAKE91: A computer program for conducting equivalent linear seismic response analyses of horizontally layered soil deposits." Department of Civil and Environmental Engineering, University of California Davis.

39. Ingerlev, L.C. F. (1998). "Water crossings-The options." Tunn. Undergr. Space Technol., 13(4), 357-363.

40. Ioannis Anastasopoulos, Nikos Gerolymos, Vasileios Drosos, Rallis Kourkoulis, Takis georgarakos & George Gazetas, 2007. Nolinear Response of Deep Immersed Tunnel to Strong Seismic Shaking. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, volume 133:pp. 1067-1090. ISSN 1090-0241/2007/9-1067-1090.

41. ITA report №007/oct 2011-ITA-an owners guide to immersed tunnelsinternational tunneling and underground space association.

42. J. E. White Seismic waves: Radiation, Transmission and attenuation. Copyring 1965 by McGraw-Hill, Inc. Library of Conress Catalog Card Number 64-22962.

43. J. Grant Robertson The western harbor crossing-planning for maintenance. Immersed tunnel techniques 2, proceeding of international conference organized by the institution of Civil Engineers in association with the Institution of Engineers of Ireland held in Cork, Ireland on 23-24 April 1997. pp 96 - 107.

44. John, st. C.M. and Zahrah, T.F., Aseismic design of underground structures, 1987, TUST Vol. 2.

45. Kontogianni V., Stiros S. Earthquakes and Seismic Faulting - Effects on Tunnels, Turkish Journal on Earth Sciences, Vol. 12, 2003, pp. 153-156.

46. Kramer, Steven L. 1996. Geotechnical Earthquake Engineering. Prentive Hall, 653 pp.

47. Kyriazis Pitilakis, Sotiris Argyroudis and Grigoris Tsinidis Seismic Design and Risk Asssesment of Underground Long Structures, MONICO Workshop, 18 march 2011, Athens.

48. Lanzano G., Bilotta E., Russo G. Tunnels under seismic loading: a review of damage case histories and protection methods. Strategy for Reduction of the Seismic Risk (Fabbrocino & Santucci de Magistris eds.). 2008. pp 65-74. ISBN 88-88102-15-3.

49. Nafe, John E., and Charles L. Drake: Variation with Depth in Shallow and Deep Water Marine Sediments of Porosity, Density, and the Velocities of Compressional and Shear Waves, Geophysics, vol. 22, pp. 523-552, 1957.

50. Map of the tectonic plates of the planet, http://www.200stran.ru/maps group5_item290.html

51. Mindlin R. D. Comphance of elastic bodies in contact. J. Appl. Mech. Trans. ASME, 71, 1949, 259-268.

52. M. Fardis, E. Carvalho, A. Elnashai, E. Faccioli, P. Pinto & A. Plumier, 2005. Designers' guide to EN 1998-1 and EN 1998-5: Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Designer's guide to the Eurocodes. Thomas Telford. ISBN 0-72773348-6.

53. M. S Power, D. Rosidi & J. Kaneshiro, 1996. Strawman: screening, evaluation and retrofit design of tunnels. Report Draft. National Center for Earthquake Engineering Research, Buffalo, New York.

54. Nyman, Douglas, NSF Principal Investigator, Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipelines Systems, TCLEE Committee on Gas an Liquid Fuels, 1984

55. O.Kiyomiys- Earthquake-resistant design features of immersed tunnels in Japan-Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 10, No. 4, pp. 463-475,1995.

56.0. Kiyomiya Flexible joints between elements for large deformation in '(Re)Claiming the Underground Space', Vol. 1, pp. 329-334, Year 2003. By A.A. Balkema, Lisse, The Netherlands, www.balkema.nl and www.szp.swets.nl

57. Owen, G.N. & Scholl, R.E. Earthquake engineering of large underground structures. Report prepared for the Federal Highway Administration, FHWAIRD-801195, 1981.

58. Penzien J. Seismically induced racking of tunnel linings. Journal of Earthquake Eng. Structural Dynamics, 29, 2000, p. 683-691.

59. Putten, E. v., Seismic design of immersed tunnel, 2002.

60. Rampello S., "Costruzioni in sotterraneo e scavi a cielo aperto" Chap. 15 in ' Aspetti geotecnici della progettazione in zona sismica - Linee Guida AGI', Associazione Geotecnica Italiana, Patron, Bologna, 2005.

61. "State-of-the-art report." (1997). Tunn. Undergr. Space Technol., 12(2), 83-355.

62. St John, C M., Zahrah, T. F., 1987. Aseismic design of underground structures. Tunneling Underground Space Technol.2(2), 165-197.

63. Sutton, George H., Hans Berckhemer, and John E. Nafe: Physical Analysis of Deep Sea Sediments, Geophysics, vol.22, pp. 779-812, 1957.

64. Trelleborg-Ginagasket-http.7/pdf.directindustry.com/pdf7trelleborg-ridderkerk/gina-gasket/23385-325709.html

65. Trelleborg-Omega seals- http://pdf.directindustry.com/pdf/trelleborg-ridderkerk/gina-gasket/23385-325709.html

66. Tamura I., Yamazaki F. and Shabestari. Relationship between the Average S-wave Velocity and Site Amplification Ratio using K-NET Records, Proceeding of Sixth International Conference on Seismic Zonation, 2000, pp. 447-452.

67. Urick, R. J.: A Sound Velocity Method for Determining the Compressibility of Finely Divided Substances, J. Appl. Phys., vol. 18, pp. 983-987, 1947.

68. Verruijt. A., Soil Dynamics, 1994/2008, Delft University of Technology

69. Vucetic M, Dobry R. Effect of soil plasticity on cyclic response. J Geotech Eng DivASCE 1991; 117:89-107.

70. Wang, J. Seismic design of tunnels. Monograph 7, Parsons Brinckerhoff Quade & Douglas Inc, New York, June 1993.

71. Wood, A. B.: "A Textbook of Sound," G. Bell & Sons, Ltd., London 1941.

72. Wood J. H, (1973) 'Earthquake-Induced Soil Pressures on Structures', EERL, 7305, Earthquake Engineering Research Laboratory, California Institure of Technology.

73. Wyllie, M.R. J., A.R. Gregory, and L.W. Gardner: Elastic Wave Velocities in Heterogeneous and Porous Media, Geophysics, vol. 21, pp. 41-70, 1956.

74. W.C. Grantz/Tunnelling and Underground Space Technology 16 (2001) 195-201.

75. Zheng Shengbao, Jiang Shuping, Wang Xiaowen, Lin Zhi. The Theory Research of Tunnels Seismic Damage. Software Engineering and Knowledge Engineering: Theory and Practice, AISC 162, pp. 1-11.