Притисокот на тунелите се состои од (сл. 1):
Сл. 1. Сили на притисок што дејствуваат на тунелот
а) вертикалниот притисок P на врвот, наречен слемениот притисок,
b) хоризонталниот притисок S, наречен страничен притисок,
c) реакции на дното A, наречени дноен притисок.
Големината на земјаниот притисок врз тунелот се движи во многу широки граници. Во почетокот, за време на уривањето на тунелот, планинскиот притисок е релативно мал и се движи од 0 до 0,50 kp/cm2, но по уривањето се зголемува и се движи од 0,8 до 12,0 kp/cm2, во зависност од видот на почвата и нејзините физички особини, висината на слоевите над тунелот и од големината на движењата во почвата што настануваат како последица на притисокот на горните слоеви. Поради зависноста од различни фактори, определувањето на планинскиот притисок врз тунелот е значително отежнато, така што теориски не може да се одреди точната вредност на земјаниот притисок, туку само приближната. На дејството на земјаниот притисок врз профилот на тунелот се спротивставува внатрешниот отпор на почвата. Ако почвата во која се изведува тунелот се состои од цврста и компактна карпа, притисокот врз профилот на тунелот е незначителен, бидејќи тежината на слоевите над тунелот ја презема напрегањето на сечење на цврстата карпа. Во таков случај не е потребно да се изведува тунелска обвивка ниту подградба за време на уривањето на тунелот, па отпадa и определувањето на земјаниот притисок врз профилот на тунелот.
Кај некомпактни и распадливи карпи, притисокот поради тежината на горните слоеви врз профилот на тунелот може да ја надмине цврстината на ваквите карпи, поради што доаѓа до лом на тлото и силни деформации во профилот на тунелот. Во вакви случаи треба да се работи подграда за време на ископувањето на тунелот, а потоа тунелска обвивка што ќе му се спротивстави на планинскиот притисок и ќе го пренесува преку темелот на пониските слоеви.
Кај врзаното тло внатрешниот отпор се состои од кохезија и триење, додека кај неврзаното тло се состои само од триење без кохезија. Меѓутоа, со оглед на променливата вредност на кохезијата под влијание на влагата, како и на слоевитоста на тлото со различен состав, кохезијата не се зема предвид како внатрешен отпор, па и кај врзаното тло се пресметува само внатрешното триење. Затоа во двата последни случаи е потребна тунелска обвивка, што значи дека треба да се определи земјениот притисок врз тунелот.
За определување на големината на земјениот притисок врз тунелот постојат следниве претпоставки:
-
Претпоставка дека земјениот притисок расте пропорционално со длабочината
-
Претпоставка заснована на законите на рамнотежа на ронливи тела
-
Претпоставка за образување на растоварен свод во почвата
-
Претпоставка заснована на законите на еластичноста.
Претпоставка дека притисокот расте пропорционално со длабочината
Според оваа претпоставка, на сводот на тунелот (сл. 2) дејствува венечен притисок P поради тежината на почвата на целата висина над тунелот до површината на теренот, а на ширината на ископаниот тунел b. Според тоа, венечниот притисок е
P = γ bt [Mp/m]
каде што γ е запреминската тежина на слоевите на почва над тунелот [Mp/m3], t висината на слоевите на почва над тунелот [m].
Оваа претпоставка се усвојува само во специјални случаи, како што е на пример кога почвата над тунелот се состои од кал, која речиси нема никаква внатрешна отпорност, или од кохерентна и некохерентна почва во подземна вода, кога отпорот на почвата е помал од дејството на тежината на почвата.
Ваквите случаи се ретки во праксата и се третираат како специјални случаи. Во сите останати случаи, кога може да се смета на внатрешниот отпор на почвата, определувањето на земјениот притисок на тунели според оваа претпоставка не е оправдано, бидејќи таа дава многу поголем притисок од стварниот.
Sl. 2. Opredeluvanje na zemljaniot pritisok vrz tunel pod pretpostavka deka pritiskot raste proporcionalno so dubinata
Претпоставка заснована на законите на рамнотежа на распадливи тела
Сл. 3. Одредување на земјениот притисок на тунел според претпоставка заснована на законите на рамнотежа на растрошливи тела
Според оваа претпоставка се разгледува суво распадливо тло и се усвојува дека притисокот врз сводот на тунелот е помал од тежината на призмата ABA’B’ поради дејството на силата на триење во вертикалните површини AA’ и BB’ (сл. 3).
Врз оваа претпоставка се засноваат повеќе изрази за пресметување на притисокот врз сводот на тунелот, како што се Forcheimerov, Bierbaumerov и Engesserov.
Вкупната тежина на почвата над сводот на тунелот е W= γ bt, но призмата ABA’B’ нема да може слободно да се лизга надолу, бидејќи на ова лизгање ќе му се спротивстави триењето на материјалот на површините AA’ и BB’. Ако е о агол на внатрешно триење на почвата над сводот на тунелот, коефициентот на триење е tgо, а нормалниот притисок на површината на триење е всушност страничната сила E, активниот земјен притисок на површините AA’ и BB’. Според тоа, на секоја од овие површини дејствува сила на триење
Q = Ea tg_ϕ._
Притисокот P на сводот на тунелот, притисокот на темето, е
Активниот земјен притисок се пресметува според Ранкин
Ea = ½ γt2 tg2(45o – ϕ/2)
Одредувањето на земјениот притисок на тунел по оваа претпоставка се врши ретко и само во одредени случаи, како што е, на пример, кога висината на слоевите почва над тунелот е мала, така што не може да се образува свод на растоварување.
Претпоставка за образување на растоварувачкиот свод
Според оваа метода, во секоја кохерентна и некохерентна почва, со исклучок на тињата, над тунелот се образува свод на растоварување, така што врз профилот на тунелот делува само материјалот под тој свод, додека самиот свод се одржува во рамнотежа поради сводното дејство, што е докажано со испитувања во растурена песочна почва. За определување на земјениот притисок врз тунел според оваа претпоставка постојат повеќе методи, меѓу кои најпознати се Комереловиот и Протодјаконовиот. Според Комереловата метода се усвојува дека сводот на растоварување има облик на полуелипса, а според Протодјаконовата облик на парабола.
Методот на Комерел со полуелипса на притисок
Според оваа метода се усвојува дека висината на растеретувачкиот свод h зависи од ширината на тунелот и од аголот на внатрешно триење на почвата во која се ископува тунелот (сл. 4). Висината на растеретувачкиот свод h може да се определи врз основа на образецот:
h = 100_a_/p
каде што a е слегнувањето на потпирачот од почетокот на ископот на тунелот до завршеното ѕидање на тунелската обвивка, p трајната растреситост на почвата.
Сл. 4. Определување на земјениот притисок на тунел по методот на полуелипса на притисок
При поволни услови се усвојува a = 10 – 15cm, при неповолни a = 15 – 40cm, при многу неповолни a = 40 – 70cm.
Трајната растреситост на почвата p се одредува на ископаната почва од тунелот во % по копањето и повторното набивање. Вредностите за p се движат во границите дадени во табелата 1.
Меѓутоа и ако горниот образец доста често се применувал во пракса, се смета дека не одговара на стварноста. Слегувањето нема апсолутна вредност, туку во ист материјал е различно според видот на подградбата. Ако подградбата е челична, слегувањето е помало, ако е дрвена слегувањето е поголемо. За нормални профили на тунели на железнички пруги и патишта се усвојува за висина на слојот тло над тунелот t > 20 m дека висината на ослободувачкиот свод h=20 m.
Страничен притисок. Според Комерел, страничниот притисок настанува под дејство на тежината на земјената призма ABC (сл. 4), која од страничните страни е ограничена со лизгачката површина AC и вертикалната рамнина на тунелот AB, додека од горната страна е оптоварена со тежината на земјената призма CBG. При тоа се усвојува дека активната земјена призма од горната страна е ограничена со хоризонталната површина CB во рамнината на темето на сводот на тунелот
Табл. 1. Приближни вредности на тлото p во %
Bidejći ramnata AB e vertikalna, a ramnata CB horizontalna, se prifaќa deka postoi Rankineov slučaj na zemjan pritisok, pa pravcot na aktivniot zemjan pritisok E e horizontalen. Spored Rankine, nagibot na kliznata površina AC kon horizontalata e pod agol α=45o+ϕ/2, aktivniot zemjan pritisok Ea e
Ea = ½ _γh_2tg2(45o-ϕ/2),
каде што γ е волуменската тежина на тлото во Mp/m3, h е висината на потпорниот ѕид во m, ϕ е аголот на внатрешно триење на тлото.
Бидејќи активната земјена призма ABC од горната страна ја оптоварува тежината на призмата CBG, во овој случај за висината на тунелот h’
Ea = ½ γ h’ 2tg2(45o-ϕ/2),
каде што γ1 = γ + 2p/h’
при што е p = Q/CB = Q/h’tg(45o- ϕ/2)
Тежината Q се добива како разлика меѓу тежината W на четвртината на елипсата на притисок CEF и тежината W1:Q = W – W1.
Тежината W се добива од површината A на четвртината од елипса и волуменската тежина на почвата γ, W = Aγ. Површината A се добива врз основа на равенката за површина на елипса: A = h·e·π/4
Внесувајќи ја вредноста за p во равенката за Ea добиваме:
Ea = ½ γ h’2 tg2 (45o-ϕ/2) + Q tg(45o-ϕ/2).
Слеменски притисок. Бидејќи ослободителниот свод е симетричен во однос на вертикалната оска, може да се пресметува слемениот притисок за половина од профилот на тунелот. Тежината W1 на земјената призма BEFG за должина на тунелот 1,00 m е:
W1 = (z+h)/2 · b/2 · 1,00 · γ
Во оваа равенка сè е познато освен z, кое го одредуваме врз основа на равенката на елипсата (сл. 5): b2x2 + a2y2 = b2a2. Во нашиот случај b=e; a=h; x=z;
Сл. 5. Одредување на гребенскиот притисок врз тунелот по методата на полуелипса на оптоварување
Сл. 6. Подножен притисок p под потпирачот
Подножен притисок. Бидејќи се усвојува дека подножниот притисок A е еднаков на гребенскиот притисок P, со тоа неговата големина е одредена.
Ако профилот на тунелот е со подножен свод, притисокот на дното на тунелот p е: p = P/(b·1,00m) [Mp/m2].
Меѓутоа ако тоа е цврсто и има доволно голема носивост, слеменскиот притисок P го пренесуваат подупирачите со ширина d на тлото (сл. 6), па подножниот притисок под подупирачите е: p = P/(2d·1,00m) [Mp/m2].
Се напоменува дека во овој случај е неопходно да се изврши сондирање на теренот и определување на носивоста и слегнувањето на тлото, бидејќи се случувало носивоста на тлото да биде помала од подножниот притисок, поради што доаѓало до деформација на тунелската обвивка и слегнување на целиот тунел.
Претпоставка заснована на законите на еластичноста
Во поново време се појави нова претпоставка, дека почвата да се разгледува како хомогено еластично изотропно тело на кое може да се применат законите на еластичноста. Според оваа претпоставка, еластичните својства на почвата се изразуваат со нејзиниот модул на еластичност E и Поасоновиот коефициент µ кој зависи од физичките особини на почвата. Меѓутоа во стварноста почвата не е изотропна, туку анизотропна маса, чии вредности на модулот E и коефициентот µ се менуваат со длабочината. Сепак и покрај ова отстапување, примената на теоријата на еластичноста за определување на земјениот притисок има голем научен интерес и перспективи за идни испитувања.
Испитување на стабилноста на тунелската обвивка под дејство на земјен притисок
За испитување на стабилноста на тунелската обвивка се избира попречен пресек на обвивката, при што е корисно да се послужиме со примери на претходно изработени тунели под слични услови како и во дадениот случај, кои се одржале во добра состојба, или пак се определува пресекот на тунелската обвивка по некоја емпириска метода (сл. 7а). Избраниот пресек на тунелската обвивка се дели на ламели по можност со иста ширина Δs. За секоја ламела се определува вертикалниот и страничниот притисок, како и тежината на самата ламела.
Вертикалниот притисок PG на ламелата за должина на тунелот 1,00 m (сл. 7а) се добива врз основа на образецот:
PG = (y1+y2)/2 · Δ_x_·1,00·γ
Сл. 7. Одредување на земјан притисок врз тунел според Комерловата метода
Бочниот притисок се состои од земјен притисок Eh, на профилот на тунелот со висина h’ и притисок Ea како последица на дејството на оптоварувањето Q
Eh’ = ½ γ h’2 tg2 (45o-ϕ/2); Ea = Q tg(45o-ϕ/2).
За определување на страничните притисоци Eh врз поединечните ламели на обвивката се нанесува дијаграмот на страничниот притисок (7a) врз основа на равенките:
Силите PG и Eh дејствуваат во оските на соодветните ламели.
Покрај тоа се одредува и тежината на ламелата на обвивката PZ, која дејствува во нејзиниот тежиште и се наоѓа резултантата R на сите сили на дадената ламела (сл. 7b). На тој начин се одредуваат резултантите R1, R2, R3 за сите ламели (сл. 8a), кои се сложуваат во план на сили (сл. 8b), па се добива резултантата Rn. Потоа од произволниот пол O се повлекуваат зраци и се црта првата потпорна линија ac. Од условот дека сводот е во рамнотежа ако хоризонталниот притисок на сводот H, резултантата на земјениот притисок врз тунелот _R_n и подножниот притисок A се сечат во една точка, ја добиваме пресечната точка S. Ако оваа точка ја споиме со средишната точка на спојката на сводот во лежиштето, добиваме правец на новиот подножен притисок A1. Ако ги сложиме силите Rn, A1 и H во нов план на сили (сл. 8c), ја добиваме големината H и новиот пол O1 од кој повлекуваме нови зраци и втора потпорна линија ac’.
Сл. 8 План на сили и потпорна линија на земјен притисок врз тунел
Според добиената нова потпорна линија се приспособува попречниот профил на тунелската обвивка, па по потреба се конструира потпорната линија и по трет пат. Тежнеењето е да се усвои таква форма на тунелската обвивка, чија оска се совпаѓа со потпорната линија. Во тој случај владеат само напрегања на притисок во обвивката. Напрегањето на притисок што се јавува во кој било попречен пресек n – n на тунелската обвивка (сл. 8), се добива од образец
каде што N е нормалната компонента на резултантата Rn на пресекот на облогата n – n , што се добива од планот на сили за тој пресек; d е дебелината на тунелската обвивка во пресекот n – n; e е ексцентрицитетот на нападната сила N во истиот пресек.
Притисочниот напон σ треба да биде помал од дозволениот напон на обвивката. За тунелски сводови од армиран бетон се смета дека оваа метода не е доволно точна, па се препорачува Спангерберговата метода.