СП 120.13330.2022. Пункт 5.6.4

5.6.4

Нагрузки и воздействия

Виды нагрузок и воздействий

5.6.4.1

Нагрузки и воздействия по продолжительности их действия на обделки тоннелей следует подразделять по СП 20.13330 на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

5.6.4.2

К постоянным нагрузкам и воздействиям относятся:

- вес насыпного грунта, горное давление;

- гидростатическое давление в зоне взаимодействия геологической среды с сооружениями (в том числе в слабых глинистых грунтах);

- вес частей сооружений, в том числе несущих строительных конструкций;

- вес зданий и сооружений, находящихся в зонах их воздействия на подземную конструкцию;

- сохраняющиеся усилия от предварительного обжатия обделки.

5.6.4.3

К временным длительным нагрузкам и воздействиям относятся:

- силы морозного пучения грунта;

- вес стационарного оборудования;

- сезонные температурные воздействия, воздействия усадки и ползучести бетона и некоторые другие по СП 20.13330;

- усилия от предварительного обжатия обделки.

К кратковременным нагрузкам относятся:

- нагрузки и воздействия от внутритоннельного и наземного транспорта;

- нагрузки и воздействия в процессе сооружения тоннеля: от давления щитовых домкратов, от нагнетания раствора за обделку, от усилий, возникающих при подаче и монтаже элементов сборных конструкций, от воздействия веса проходческого и другого строительного оборудования и некоторые другие, определяемые особенностями производства работ.

5.6.4.4

К особым воздействиям и нагрузкам следует относить сейсмические и взрывные воздействия, температурные воздействия, воздействия от сдвиговых деформаций грунтового массива и некоторые другие особые нагрузки по СП 20.13330 и СП 296.1325800, которые имеют отношение к проектируемому объекту.

5.6.4.5

При реконструкции объектов метрополитена исходными данными являются результаты повторных инженерно-геологических, гидрологических и геотехнических изысканий.

Постоянные нагрузки и воздействия

5.6.4.6

Вертикальные и горизонтальные нагрузки от веса насыпного грунта при открытом способе работ, от давления грунта при закрытом способе работ или от других постоянных нагрузок, действующих в пределах всего пролета или всей высоты сооружения или выработки, при расчетах тоннельных обделок следует принимать как равномерно распределенные по формулам (5.2), (5.3).

5.6.4.7

Для объектов, сооружаемых открытым способом, нормативную вертикальную нагрузку от насыпного грунта следует принимать в соответствии с давлением всей его толщи над сооружением с учетом веса наземных зданий и других сооружений, строительство которых предусмотрено над данным объектом или в пределах призмы обрушения грунта.

5.6.4.8

Нормативные вертикальные и горизонтальные нагрузки на обделки тоннелей, сооружаемых закрытым способом, следует определять по результатам инженерно-геологических изысканий с учетом возможности образования в грунтах самонесущего свода (рисунок 5.1). При расчете обделок тоннелей с использованием программных комплексов, допущенных к применению в порядке, установленном действующим законодательством, реализующих численные методы механики сплошных сред и теории упругости, нагрузки от вертикального и горизонтального горного давления, гидростатического давления, собственного веса конструкций допускается не задавать в явном виде, при условии наличия в программном комплексе алгоритмов формирования нагрузки на несущие конструкции.

Рисунок 5.1 - Схема для расчета высоты свода обрушения

5.6.4.9

В неустойчивых грунтах, в которых сводообразование невозможно (водонасыщенные несвязные и слабые глинистые грунты), нагрузки следует принимать с учетом давления всей толщи грунтов над тоннельным сооружением. В таких случаях нормативную вертикальную и горизонтальную нагрузки qн и pн, кН/м2, необходимо определять по формулам:

qn = ∑(i=1…n) YiHi, (5.2)

pн = ∑(i=1…n) YiHitg^2(45° − φ/2), (5.3)

где Yi - нормативный удельный вес грунта, кН/м3;

Hi - толщина соответствующего слоя напластования, м;

n - число слоев напластований;

φ - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля, град.

Такие же нагрузки следует принимать и при наличии сводообразования, если расстояние от вершины свода обрушения до земной поверхности или до контакта с неустойчивыми грунтами меньше высоты свода обрушения.

Формула (5.2)

qn = ∑(i=1…n) YiHi, (5.2)

qn = ∑(i=1…n) YiHi (5.2)

Формула (5.3)

pн = ∑(i=1…n) YiHitg^2(45° − φ/2), (5.3)

где Yi - нормативный удельный вес грунта, кН/м3;

Hi - толщина соответствующего слоя напластования, м;

n - число слоев напластований;

φ - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля, град.

pн = ∑(i=1…n) YiHitg^2(45° − φ/2) (5.3)

где Yi - нормативный удельный вес грунта, кН/м3;

Hi - толщина соответствующего слоя напластования, м;

n - число слоев напластований;

φ - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля, град.

5.6.4.10

Нормативные равномерно распределенные нагрузки (вертикальную qн и горизонтальную pн, кН/м2) в условиях сводообразования для однородной толщи грунта следует определять по формулам:

qн = γh1, (5.4)

pн = γ(h1 + 0,5h)tg^2(45° − φ/2), (5.5)

где h1 - высота свода обрушения над верхней точкой обделки (рисунок 5.1), м, определяемая по 5.6.4.11 и 5.6.4.12;

γ - нормативная плотность грунта, кН/м3;

h - высота выработки, м;

φ - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля, град.

Величину вертикальной нормативной нагрузки над верхней точкой обделки для тоннелей, сооружаемых в глинистых грунтах на глубине более 45 м, следует принимать с коэффициентом K = H/45, где H - глубина заложения тоннеля от поверхности земли до низа тоннельной обделки, м.

При заложении тоннелей в глинистых грунтах, прочность которых уменьшается под влиянием поступающих подземных вод, величину вертикальной нормативной нагрузки следует увеличивать на 30%.

Формула (5.4)

qн = γh1, (5.4)

qн = γh1 (5.4)

Формула (5.5)

pн = γ(h1 + 0,5h)tg^2(45° − φ/2), (5.5)

где h1 - высота свода обрушения над верхней точкой обделки (рисунок 5.1), м, определяемая по 5.6.4.11 и 5.6.4.12;

γ - нормативная плотность грунта, кН/м3;

h - высота выработки, м;

φ - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля, град.

pн = γ(h1 + 0,5h)tg^2(45° − φ/2) (5.5)

где h1 - высота свода обрушения над верхней точкой обделки (рисунок 5.1), м, определяемая по 5.6.4.11 и 5.6.4.12;

γ - нормативная плотность грунта, кН/м3;

h - высота выработки, м;

φ - угол внутреннего трения грунта, нормативный для несвязных грунтов или кажущийся для скальных грунтов в уровне сечения тоннеля, град.

5.6.4.11

Высоту свода обрушения h1 над верхней точкой обделки в условиях сводообразования (рисунок 5.1) для нескальных необводненных грунтов следует определять по формуле

h1 = L/(2f), (5.6)

где L - величина пролета свода обрушения, определяемая по формуле

L = b + 2h·tg(45° − φ/2); (5.7)

f - коэффициент крепости, принимаемый по таблице 5.9;

b - величина пролета выработки, м.

Примечание - Для трехсводчатых станций за величину пролета выработки b принимают суммарную ширину станционных выработок.

Формула (5.6)

h1 = L/(2f), (5.6)

где L - величина пролета свода обрушения, определяемая по формуле

h1 = L/(2f) (5.6)

где L - величина пролета свода обрушения, определяемая по формуле

Формула (5.7)

L = b + 2h·tg(45° − φ/2); (5.7)

L = b + 2h·tg(45° − φ/2) (5.7)

Таблица 5.9

5.6.4.12

Высоту свода обрушения h1 над верхней точкой обделки в условиях сводообразования для скальных грунтов следует определять по формулам:

а) для скальных грунтов, оказывающих вертикальное и горизонтальное давление:

h1 = L/(0,2Rα); (5.8)

б) для скальных грунтов, оказывающих только вертикальное давление:

h1 = b/(0,2Rα), (5.9)

где R - предел прочности грунта на сжатие "в куске" (образце), МПа;

α - коэффициент, учитывающий влияние трещиноватости массива, принимаемый по таблице 5.10 исходя из предела прочности грунта на сжатие "в куске" (образце) и категории массива по степени трещиноватости, которая определяется в зависимости от трещинной пустотности и густоты трещин (среднего расстояния между трещинами наиболее развитой их системы) по таблице 5.11.

Формула (5.8)

h1 = L/(0,2Rα); (5.8)

h1 = L/(0,2Rα) (5.8)

Формула (5.9)

h1 = b/(0,2Rα), (5.9)

где R - предел прочности грунта на сжатие "в куске" (образце), МПа;

α - коэффициент, учитывающий влияние трещиноватости массива, принимаемый по таблице 5.10 исходя из предела прочности грунта на сжатие "в куске" (образце) и категории массива по степени трещиноватости, которая определяется в зависимости от трещинной пустотности и густоты трещин (среднего расстояния между трещинами наиболее развитой их системы) по таблице 5.11.

h1 = b/(0,2Rα) (5.9)

где R - предел прочности грунта на сжатие "в куске" (образце), МПа;

α - коэффициент, учитывающий влияние трещиноватости массива, принимаемый по таблице 5.10 исходя из предела прочности грунта на сжатие "в куске" (образце) и категории массива по степени трещиноватости, которая определяется в зависимости от трещинной пустотности и густоты трещин (среднего расстояния между трещинами наиболее развитой их системы) по таблице 5.11.

Таблица 5.10

Таблица 5.11

Примечания1 При определении трещинной пустотности рыхлый или глиноподобный материал заполнения трещин не учитывается.2 При большой и очень большой трещинной пустотности и одновременно хорошо выраженной расчлененности массива на блоки по степени трещиноватости его следует относить к категории V (раздробленным) вне зависимости от густоты трещин.3 В условиях ожидаемого полного нарушения сплошности скальных грунтов в результате интенсивного их расслоения (кливаж) грунты следует относить к категории V.4 При наличии поверхностей скольжения категорию грунта по степени трещиноватости необходимо повышать на одну ступень.5 При трещинах, залеченных частично твердым (кристаллическим) материалом, категорию грунта по степени трещиноватости нужно понижать на одну ступень, а при полностью залеченных трещинах - принимать по категории I. Расчет обделки следует выполнять в двух вариантах: при наличии горизонтального давления и без него.

5.6.4.13

Полученную по формулам (5.8) и (5.9) высоту свода обрушения скальных грунтов необходимо корректировать умножением ее на коэффициенты, учитывающие влияние следующих факторов:

а) приток воды в выработку для случаев, когда трещины заполнены рыхлым или размокаемым глиноподобным материалом, - 1,2;

б) расположение трещин наиболее развитой их системы под углом к оси тоннеля менее 45° - 1,1;

в) проходка выработок без применения буровзрывных работ - 0,8.

5.6.4.14

В случаях, когда в грунтовом массиве возможно развитие неблагоприятных для обделки процессов (проявления тектонической напряженности, пучение, ползучесть грунтов, карстово-суффозионные явления) или предполагается значительное изменение свойств или состояния грунтов в результате применения специальных способов производства работ, нагрузки (на обделки необходимо устанавливать на основании специальных исследований).

5.6.4.15

При высоте свода обрушения скального грунта менее 1/6 его пролета расчет подземных конструкций следует выполнять на воздействие вывалов. Вертикальную нагрузку интенсивностью, полученной из условия сводообразования, необходимо распределять по площади, соответствующей 1/4 пролета выработки в наиболее невыгодном для работы обделки положении.

5.6.4.16

При наличии над тоннельным сооружением в пределах свода обрушения контакта с менее прочным грунтом нагрузку на обделку следует определять от свода обрушения по параметрам менее прочного грунта, а при наличии слабых грунтов, не обладающих способностью к сводообразованию, - от веса всей вышележащей толщи грунтов.

Если контакт с более слабым грунтом находится в границах от одной до трех высот свода обрушения, значение нормативной вертикальной нагрузки qн, кН/м, следует определять по формуле

qн = q1н − a(q1н − q2н)/(2h1), (5.10)

где q1н - нормативная вертикальная нагрузка, полученная от свода обрушения по параметрам менее прочного грунта, или нагрузка от веса всей толщи грунтов над тоннельным сооружением (при наличии в пределах от двух до трех высот свода обрушения слабых грунтов, не обладающих способностью к сводообразованию), кН/м2;

q2н - нормативная вертикальная нагрузка от грунта, вмещающего тоннель, кН/м2;

a - расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее прочным грунтом или со слабым грунтом, не обладающим способностью к сводообразованию, м;

h1 - высота свода обрушения грунта, вмещающего тоннель, м.

Формула (5.10)

qн = q1н − a(q1н − q2н)/(2h1), (5.10)

где q1н - нормативная вертикальная нагрузка, полученная от свода обрушения по параметрам менее прочного грунта, или нагрузка от веса всей толщи грунтов над тоннельным сооружением (при наличии в пределах от двух до трех высот свода обрушения слабых грунтов, не обладающих способностью к сводообразованию), кН/м2;

q2н - нормативная вертикальная нагрузка от грунта, вмещающего тоннель, кН/м2;

a - расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее прочным грунтом или со слабым грунтом, не обладающим способностью к сводообразованию, м;

h1 - высота свода обрушения грунта, вмещающего тоннель, м.

qн = q1н − a(q1н − q2н)/(2h1) (5.10)

где q1н - нормативная вертикальная нагрузка, полученная от свода обрушения по параметрам менее прочного грунта, или нагрузка от веса всей толщи грунтов над тоннельным сооружением (при наличии в пределах от двух до трех высот свода обрушения слабых грунтов, не обладающих способностью к сводообразованию), кН/м2;

q2н - нормативная вертикальная нагрузка от грунта, вмещающего тоннель, кН/м2;

a - расстояние от вершины свода обрушения до контакта с менее прочным грунтом или со слабым грунтом, не обладающим способностью к сводообразованию, м;

h1 - высота свода обрушения грунта, вмещающего тоннель, м.

5.6.4.17

Величину вертикальной нагрузки от горного давления на обделки параллельных близко расположенных тоннелей при возможности сводообразования следует определять в зависимости от размеров выработок, размеров и несущей способности целиков между ними, а также технологии производства работ:

а) при условии образования самостоятельного свода обрушения над каждой выработкой - для каждой выработки в отдельности;

б) при условии образования общего свода обрушения над выработками - как для выработки, пролет которой равен сумме пролетов всех выработок и ширины целиков между ними.

5.6.4.18

Значение нормативной нагрузки на обделку тоннеля в водоносных грунтах следует принимать в виде совместного действия гидростатического давления воды и давления грунта во взвешенном состоянии. При этом нормативный удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды γsb определяют по формуле

γsb = (γs − γw)/(1 + e), (5.11)

где γs - удельный вес частиц грунта, принимаемый на основании результатов инженерных изысканий;

γw - удельный вес воды, принимаемый равным 10 кН/м3 (1,0 т/м3);

e - коэффициент пористости.

Величину гидростатического давления следует принимать с учетом наивысшего прогнозируемого уровня вскрытых сооружением водоносных горизонтов при условии возможности объединения водоносных горизонтов в результате воздействия строительных работ.

Формула (5.11)

γsb = (γs − γw)/(1 + e), (5.11)

где γs - удельный вес частиц грунта, принимаемый на основании результатов инженерных изысканий;

γw - удельный вес воды, принимаемый равным 10 кН/м3 (1,0 т/м3);

e - коэффициент пористости.

γsb = (γs − γw)/(1 + e) (5.11)

где γs - удельный вес частиц грунта, принимаемый на основании результатов инженерных изысканий;

γw - удельный вес воды, принимаемый равным 10 кН/м3 (1,0 т/м3);

e - коэффициент пористости.

5.6.4.19

Нагрузку от веса зданий, расположенных над тоннельным сооружением, следует принимать в зависимости от их этажности в размере 10 кН/м2 (1 тс/м2) на один этаж.

При расположении зданий и других наземных сооружений в пределах призмы обрушения грунта необходимо учитывать соответствующее увеличение горизонтальной нагрузки.

5.6.4.20

Нормативную горизонтальную нагрузку на обделки кругового очертания в глинистых грунтах текучей и пластичной консистенции, в водонасыщенных грунтах, а также в грунтах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, следует принимать не более 0,75 значения нормативной вертикальной нагрузки, определяемой от веса вышележащей толщи грунтов.

Для ограждающих конструкций котлованов, сооружаемых в глинистых грунтах, боковое давление определяется с учетом сцепления по СП 22.13330.

5.6.4.21

Нормативная вертикальная нагрузка от собственного веса конструкций определяется исходя из проектных размеров конструкций и удельного веса материалов.

Если собственный вес обделки составляет менее 5% вертикального давления, допускается его не учитывать.

5.6.4.22

Коэффициенты надежности на постоянные нагрузки при расчетах конструкций обделок по потере несущей способности следует принимать по таблице 5.12.

При расчетах конструкций на прочность и устойчивость для стадии строительства коэффициенты надежности по постоянным нагрузкам принимаются равными 1.

Таблица 5.12

Примечания1 Коэффициент надежности, указанный в скобках, следует принимать в случае, когда его применение приводит к более невыгодному нагружению обделки.2 При выполнении расчетов методами численного моделирования с использованием нелинейных моделей сплошных сред допускается коэффициент надежности для горизонтальной нагрузки от давления грунта принимать равным соответствующему коэффициенту надежности для вертикальной нагрузки от давления грунта.

5.6.4.23

Обделки сооружений открытого способа работ, заложенные ниже прогнозируемого уровня подземных вод, следует рассчитывать на всплытие на расчетные нагрузки по формуле

∑G/(Ahwγw) ≥ γf, (5.12)

где ∑G - сумма всех постоянных нагрузок, сопротивляющихся всплытию, с коэффициентами надежности по нагрузке, равными 1;

A - площадь подошвы сооружения;

hw - расстояние от уровня грунтовых вод до подошвы сооружения (без учета бетонной подготовки);

γw - удельный вес воды, равный 1 т/м3;

γf - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,2.

Для расчетов на всплытие принимают наибольший прогнозируемый уровень подземных вод. При наличии опытных данных в случае применения "стены в грунте" в качестве постоянной несущей конструкции допускается учитывать силы трения между конструкцией и грунтом.

Временные и особые нагрузки и воздействия

Формула (5.12)

∑G/(Ahwγw) ≥ γf, (5.12)

где ∑G - сумма всех постоянных нагрузок, сопротивляющихся всплытию, с коэффициентами надежности по нагрузке, равными 1;

A - площадь подошвы сооружения;

hw - расстояние от уровня грунтовых вод до подошвы сооружения (без учета бетонной подготовки);

γw - удельный вес воды, равный 1 т/м3;

γf - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,2.

∑G/(Ahwγw) ≥ γf (5.12)

где ∑G - сумма всех постоянных нагрузок, сопротивляющихся всплытию, с коэффициентами надежности по нагрузке, равными 1;

A - площадь подошвы сооружения;

hw - расстояние от уровня грунтовых вод до подошвы сооружения (без учета бетонной подготовки);

γw - удельный вес воды, равный 1 т/м3;

γf - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,2.

5.6.4.24

Нормативную временную вертикальную и горизонтальную нагрузки на обделки от наземного транспорта, коэффициенты надежности и коэффициенты динамичности принимают по СП 35.13330.

5.6.4.25

Нормативную временную вертикальную нагрузку на рельсовый путь (рисунок 5.2) от каждой оси подвижного состава с пассажирами следует принимать равной 150 кН (15 тс).

В метрах

Рисунок 5.2 - Схема нагружения от подвижного состава

на рельсовый путь

Нормативную горизонтальную поперечную нагрузку от центробежной силы и ударов подвижного состава, продольную нагрузку от торможения или силы тяги, а также коэффициенты надежности и динамические коэффициенты к этим нагрузкам следует принимать согласно СП 35.13330.

5.6.4.26

Временную нормативную равномерно распределенную нагрузку на платформы станций, лестницы, перекрытия машинных помещений эскалаторов, кассовых залов и другие перекрытия, по которым предусматривается передвижение пассажиров, следует принимать равной 4 кН/м2 (400 кгс/м2) с коэффициентом надежности 1,4.

5.6.4.27

Временные нагрузки на обделки, возникающие в процессе строительства, определяются в соответствии с принятой технологией производства работ с учетом характера воздействия на обделку проходческого, подъемно-транспортного, монтажного или другого оборудования.

Коэффициент надежности по нагрузке к временной нагрузке от давления щитовых домкратов на обделку следует принимать равным 1,3.

5.6.4.28

Воздействие морозного пучения грунта в пределах слоя сезонного промерзания (оттаивания) следует принимать в виде приложенных по периметру сооружения вертикальных касательных сил. Для сооружений на пучинистых грунтах, сезонно промерзающих на глубину до 2 м, силы морозного пучения следует принимать в соответствии с требованиями СП 22.13330. Для сооружений на вечномерзлых, а также на пучинистых грунтах, сезонно промерзающих на глубину свыше 2 м, силы морозного пучения следует принимать в соответствии с требованиями СП 25.13330.

Коэффициент надежности по нагрузке при определении нагрузки от сил морозного пучения следует принимать как для нагрузки от горного давления при сводообразовании по таблице 5.12.

5.6.4.29

Коэффициенты надежности к временной нагрузке для других временных нагрузок или воздействий, которые следует учитывать при проектировании специфических строительных конструкций или по условиям производства работ (вес стационарного оборудования, нагрузка от подвесного кранового оборудования, воздействие усадки и ползучести бетона и др.), следует принимать по СП 20.13330.

5.6.4.30

Сейсмическое воздействие на тоннельную обделку следует учитывать для сооружений, возводимых в районах (зонах) с сейсмичностью 7 баллов и более. Проектирование подземных сооружений, расположенных в районах (зонах) с сейсмичностью 7 баллов и более, следует выполнять в соответствии с СП 14.13330.

5.6.4.31

При проектировании фундаментов насосных и вентиляционных установок необходимо учитывать динамические нагрузки по СП 26.13330.