CZ2014582A3 - Spoj betonových segmentů tunelového ostění a způsob spojování těchto segmentů - Google Patents

Abstract

Řešením je spoj betonových segmentů tunelového ostění, uspořádaného do na sebe navazujících prstenců, zejména při zhotovení tunelových propojek nebo výklenků v tunelu, kde spojované segmenty (7), které jsou vyztužené betonářskou nebo rozptýlenou výztuží, jsou uloženy v předem známé definované poloze v tunelu a se znalostí, na jaké síly je jejich spojení dimenzováno. Sousedící spojované segmenty (7), které jsou k sobě přivrácené svými postranními stěnami a navzájem vůči sobě těsněné, jsou opatřeny proti sobě situovanými trubkami (2) vytvářejícími kanálek, do kterého je uložen ocelový trn (1) zasahující do obou spojovaných segmentů (7). Mezi povrchem ocelového trnu (1) a vnitřní stěnou každé trubky (2) je vytvořen prostor (3) pro vyplnění injektážní maltou prostřednictvím injektážní nebo odvzdušňovací trubky (5) situované uvnitř každého ze spojovaných segmentů (7). Vnitřní konec každé injektážní nebo odvzdušňovací trubky (5) přiléhá k odpovídajícímu konci ocelového trnu (1). Při způsobu spojování segmentů se prostor (3) mezi ocelovým trnem (1) a vnitřní stěnou trubky (2) vyplní tekutou injektážní maltou, následně se odvzdušní a malta se ponechá zatvrdnout.

Description

Spoj betonových segmentů tunelového ostění a způsob spojování těchto segmentů

Oblast techniky

Předmětem tohoto vynálezu je spoj betonových segmentů tunelového ostění, zejména při zhotovení tunelových propojek, výklenků apod., a způsob spojování těchto segmentů.

Dosavadní stav techniky

Při výstavbě tunelových propojek, výklenků nebo jiného narušení celistvosti segmentového ostění je zapotřebí ostění dočasně a trvale zabezpečit. K tomu se obvykle využívá např. dočasné konstrukce vložené do ostění, nebo přikotvení ostění k horninovému masivu, dále ocelových kazet předem zabetonovaných do segmentů spojených šrouby, případně smykových trnů mezi betonovými segmenty, vkládaných do plastových hmoždin.

Základní nevýhodou dočasných konstrukcí je skutečnost, že určitým způsobem omezují prostor v tunelu a brání tak následným stavebním a dopravním činnostem. Dočasné konstrukce jsou obvykle ocelové a výstavba tak vyžaduje poměrně značné náklady. Přikotvení ostění k horninovému masivu je využitelné zejména v dobrých geologických podmínkách, nevýhodou je však provrtání ostění a riziko případného narušení vodonepropustnosti a potřeba vrtacích strojů v tunelu. Ocelové kazety, předem zabetonované do segmentů, jsou značně nákladné - jedná se o tlustostěnné svařované ocelové konstrukce a velkým problémem je dodržení přesnosti výroby, kdy otvory pro šrouby v kazetách musejí přesně navazovat na sousední segmenty. Nevýhody smykových trnů v plastových hmoždinách spočívají ve vkládání poddajného plastového prvku a omezení na přenos smykových namáhání.

yyntj^su

Podstata,technickéhe-řešenW

Cílem řešení podle tohoto vynálezu je pevné, dostatečně únosné propojení jednotlivých segmentů tunelového ostění pomocí trnů, kdy při výstavbě tunelu je potřeba rozebrání části ostění z důvodů zhotovení tunelové propojky, výklenku atd. Předmětem tohoto vynálezu je spoj betonových segmentů tunelového ostění, uspořádaného do nasebe navazujících prstenců, zejména při zhotovení tunelových propojek nebo výklenků v tunelu, kde spojované segmenty, které jsou vyztužené betonářskou nebo rozptýlenou výztuží, jsou uloženy v předem známé definované poloze v tunelu a se znalostí, na jaké síly je jejich spojení dimenzováno. Podstata vynálezu spočívá v tom, že sousedící spojované segmenty, které jsou k sobě přivrácené svými postranními stěnami a navzájem vůči sobě těsněné, jsou opatřeny proti sobě situovanými trubkami vytvářejícími kanálek. Do tohoto kanálku je uložen ocelový trn, zasahující do obou spojovaných segmentů tak, že mezi jeho povrchem a vnitřní stěnou každé trubky je vytvořen prostor pro vyplnění tekutou injektážní maltou prostřednictvím injektážní a odvzdušňovací trubky, situované uvnitř každého ze spojovaných segmentů, těsněné napojené na kanálek. Vnitřní konec každé injektážní nebo odvzdušňovací trubky přiléhá k odpovídajícímu konci ocelového trnu s možností volného průchodu tekuté injektážní malty a vzduchu do prostoru mezi jeho povrchem a vnitřní stěnou každé trubky kanálku. Ocelový trn situovaný v kanálku je na každém svém konci opatřen středícím prostředkem.

Řešení spoje betonových segmentů tunelového ostění podle tohoto vynálezu je univerzální, vhodné pro široké spektrum geologických podmínek. Výhodou je skutečnost, že není nijak omezen profil tunelu, montáž v tunelu je jednoduchá, s nízkými nároky na přesnost, spojovací ocelový trn může být v kanálku uložen i mírně šikmo. Spoj segmentů je vysoce únosný a z hlediska nákladů nenáročný. Proces injektáže je velmi rychlý a snadný, nevyžaduje zvláštní opatření v tunelu, injektážní tlaky jsou velmi nízké. Využívají se zcela běžné a snadno dostupné materiály, prvky a výrobní postupy, pracovní postupy jsou bezpečné.

Jako výhodu lze rovněž uvést malé zásahy do běžných segmentových forem.

Injektážní nebo odvzdušňovací trubka, která přiléhá k odpovídajícímu konci ocelového trnu v kanálku, je na svém vnitřním konci seříznutá pro umožnění volného průchodu tekuté injektážní malty do prostoru mezi povrchem ocelového trnu a vnitřní stěnou každé trubky kanálku a vzduchu z tohoto prostoru ven.

Těsněni sousedících spojovaných segmentů může být vytvořeno těsnicím kroužkem např. z pryže nebo plastu, který je osazen v kruhovém žlábku v oblasti styku segmentů. Povrch ocelového trnu je s výhodou nerovný, např. žebrovaný, profilový nebo zdrsněný.

Předmětem tohoto vynálezu je rovněž způsob spojování segmentů tunelového ostění podle výše uvedeného provedení. Podstata vynálezu spočívá v tom, že prostor mezi ocelovým trnem a vnitřní stěnou každé trubky kanálku spojovaných segmentů, které se v dotykové spáře utěsní, se vyplní tekutou injektážní maltou, po jeho úplném vyplnění se odvzdušní a injektážní malta se ponechá zatuhnout a zatvrdnout, čímž se ocelovými trny segmenty pevně spojí. Síly v prstencích ostění tunelu se přenášejí do okolních prstenců, načež se část ostění určená pro propojku, výklenek nebo jiné narušení celistvosti segmentového ostění vyjme.

Objasnění výkresů

Na připojených výkresech jsou zobrazeny příklady provedení tohoto vynálezu. Tunelové ostění je propojeno soustavou trnů pro přenos ohybu (tahové namáhání) pro přenos posouvajících sil (smykové namáhání). Na obr. 1 je zobrazen ohybový tm, kdy tah je při vnitřním lícovém povrchu, na obr. 2 ohybový trn, kdy tah je při vnějším rubovém povrchu a na obr. 3 smykový trn.

Příklady uskutečnění vynálezu

Řešení podle tohoto vynálezu se týká spojů betonových segmentů 7 tunelového ostění, uspořádaného do na sebe navazujících prstenců při zhotovení tunelových propojek nebo výklenků v tunelu.

Profil tunelu je přibližně 9 m, tloušťka segmentů 7 ostění je 40 cm. Zatížení na ostění se předpokládá radiální 250 kPa. Standardní segmenty jsou zhotoveny z betonu vyztuženého rozptýlenou výztuží, segmenty v oblasti propojky jsou navíc vybaveny betonářskou výztuží.

Tunelové ostění se propojí soustavou ocelových trnů 1 uspořádaných tak, že je respektováno jejich vypočtené namáhání. Pro zjištění skutečné únosnosti a charakteru porušení byly uskutečněny experimenty na modelových dílcích, jejichž materiál a typické rozměry odpovídají skutečným segmentům 7.

V daném případě byly navrženy trny 1 o průměru 25 mm z oceli B500B pro přenos ohybu (tahové namáhání) a trny 1 o průměru 36 mm zhotovené z předpínacích tyčí pro přenos posouvajících sil (smykové namáhání).

Spojované segmenty 7, které jsou vyztužené betonářskou nebo rozptýlenou výztuží, jsou uloženy v předem známé definované poloze v tunelu a se znalostí, na jaké síly je jejich spojení dimenzováno. V rámci experimentální činnosti bylo testováno namáhání trnů 1 na tah za ohybu, smyk kolmo na rovinu segmentů 7 a smyk v rovině segmentů 7. Závěrečné zhodnocení - návrhová (výpočtová) síla je stanovena podle metodiky navrhování podle mezních stavů a s ohledem na další kritéria platných norem. Při čemž mezní síla je dosažena při porušení vzorku trhlinami, které narušují vodotěsnost ostění.

Namáhání	Mezní síla v trnu	Návrhová síla v trnu
Ohyb 0 R25	Tah 400 kN	Tah 200 kN
Smyk kolmo na plochu 0 Y36	Smyk 500 kN	Smyk 250 kN
Smyk v ploše 0Y36	Smyk 650 kN	Smyk 350 kN

~ 5 ~

Trn 1 namáhaný tahem za ohybu se porušil přetržením trnu, čímž se prokazuje dostatečná únosnost systému zakotvení. Pro únosnost smykového trnu 1 namáhaného kolmo na rovinu ostění bylo rozhodující porušení betonu v okolí trnu. Pro únosnost smykového trnu 1 zatíženého v rovině ostění došlo k porušení betonu a následně i trnu. Tabulka ukazuje dovolená namáhání experimentálně zjištěná pro konkrétní případ realizace. Na základě uvedených údajů a statického výpočtu bylo navrženo optimální rozmístění trnů v ostění.

Principem řešení je vložení ocelových trnů 1 do předem zhotovených kanálků v segmentech 7 s tím, že trn 1 se následně injektuje vhodnou maltou 3. Po zatvrdnutí malty je spoj plně únosný. Před betonáží se do spojovaných segmentů 7 osadí kanálky 2 a injektážní trubky 5. V oblasti kontaktu segmentů 7 se vytvoří kruhový žlábek pro osazení těsnicího kroužku 6. Injektážní trubky 5 jsou na konci v kanálku zaříznuty do tvaru hrotu, aby nebyly koncem trnu 1 ucpány. Kanálek je zhotoven z tenkostěnné profilované plechové trubky 2 (SANDRIK), která se běžně používá pro kanálky předpínací výztuže např. u mostů. Injektážní trubka 5 se vyrobí z jakéhokoliv materiálu např. z plastového vodovodního potrubí. Spoj injektážní trubky 5 a kanálku musí být těsný, k těsnění 4 lze využít např. teplem smrštitelnou hadici (běžně užívaná pro spojování kanálků předpětí).

Kanálky je zapotřebí uložit do formy přesně, proto se doporučuje do postranní stěny segmentové formy připevnit ocelový bednící trn, na který lze kanálek navléknout. Součástí bednícího trnu je i forma pro drážku na těsnící kroužek 6 pro těsnění mezi segmenty 7.

Injektážní trubky 5 jsou vyvedeny od konce kanálku k vnitřnímu povrchu segmentu 7, kde se vybaví pro napojení injektážní hadice (např. závitová spojka). Injektážní trubka 5 se dočasně zaslepí (např. šroubovací zátkou), to zejména z důvodů aby bylo možné se segmentem 7 pohybovat pomocí vakuového manipulátoru, který se přisaje na segment 7 při montáži ostění z lícové strany, zátka rovněž zabraňuje vnikání vody a nečistot do kanálku 2.

~ 6~

Následuje betonáž segmentů 7. Po zatvrdnutí betonu je segment 7 připraven k montáži.

V tunelu se montuje předem vyrobená sestava segmentů 7, kde jsou kanálky 2 umístěné proti sobě. Vlastní montáž probíhá standardně s využitím erektoru. Před osazením segmentu 7, kde v kanálcích 2 již zabudovaného segmentu budou uloženy trny 1, se jednotlivé trny 1 postupně zasunou do kanálků 2 v montovaném segmentu 7. V této fázi jsou oba konce trnů 1 osazeny do kanálků 2. Následné může dojít k přisunutí segmentu 7 a jeho zajištění v požadované pozici.

Trny 1_ je zapotřebí předem vybavit prvky pro centrální uložení v kanálku. To je možné například trojicí drátů připevněných ke každému konci trnu L Během montáže není z důvodů bezpečnosti práce dovoleno vkládat ruce mezi segmenty 7. K manipulaci s trny 1 je tedy zapotřebí využít vhodných kleští, nebo jiného manipulačního zařízení.

Po uvolnění pracoviště, lze přistoupit k injektáži trnů 1_. Trny 1 lze zainjektovat maltou na bázi cementu modifikovaného chemickými přísadami. Rovněž lze využít i jiné materiály např. na bázi epoxidů. Výhodou cementové injektáže je nízká cena a dostatečně vysoká pevnost. Požadavkem na injektážní maltu je dostatečná tekutost, aby byl prostor 3 v kanálku kolem trnu 1 řádně vyplněn, materiál rovněž nesmí segregovat po dobu, než zatuhne.

Injektáž probíhá z jedné strany trnu 1 injektážní trubkou 5 s tím, že odvzdušňovací trubkou 5 na druhé straně trnu 1 se odvádí vzduch (injektážní a odzvušňovací trubka jsou identické a záměnné). Kanálek je třeba dostatečně propláchnout maltou, aby došlo k řádnému odvzdušnění. Maltu lze znovu využít. Po skončení injektáže kanálku se injektážní trubky 5 uzavřou, aby malta nemohla vytékat. Injektáž je tedy nízkotlaká, jedná se jen o vyplnění prostoru 3. Po zatvrdnutí injektážní malty lze spojení zatěžovat. Pro dočasné spojení se ~ 7 ~ využijí trny z běžných ocelí, pro trvalé spojení je zapotřebí využít trny pozinkované, nebo lépe nerezové.

Okolní segmenty se proto spojí k sobě a tím se síly v prstencích ostění přenesou do okolních prstenců a pojté je část ostění možné vyjmout. Propojení segmentů pomocí trnů však lze využívat obecněji pro všechny případy, kdy je zapotřebí přenášet síly mezi jednotlivými segmenty.

Statické působení konstrukce

Jednotlivé prstence tunelového ostění jsou sestavené z několika segmentů 7. Ve standardním tunelu působí jednotlivé prstence v zásadě samostatně, přenos zatížení mezi prstenci je jen minimální prostřednictvím běžných spojovacích prostředků. Vlivem zatížení horninovým prostředím vzniká v rámci prstence především tlakové namáhání, přenášené ve směru obvodu celého prstence. Dále vznikají další namáhání (ohybová a smyková), která obvykle nedosahují tak významných hodnot. Při vytvoření otvoru v ostění (např. z důvodu výstavby propojky) přerušený prstenec nemůže přenášet tlakové namáhání. Proto je zapotřebí namáhání přenést do sousedních prstenců. K tomu slouží zmíněné ocelové trny 1. Otvor v ostění však může zasáhnout více jak jeden prstenec typicky dva prstence. V takovém případě nad pod otvorem dochází k tendenci prolomení segmentů 7 v podélném směru. V těchto případech je vhodné spojení doplnit i o tahové trny, které přenášejí ohybové namáhání působící v podélném směru tunelu. Obecně platí, že největší namáhání, které je potřeba přenášet je smyk mezi prstenci ve směru roviny ostění, dále pak smyk kolmo na plochu ostění. V některých případech (zejména pokud se narušují dva a více prstenců) může být vhodné přenášet i namáhání ohybové pomocí tahových trnů.

Přenášené síly:

Posouvající síly

Smykové trny 1 jsou umístěny uprostřed tloušťky segmentu 7 (obr. 3), přenášejí smykové namáhání v rovině ostění a kolmo na rovinu ostění. Trny lze zhotovit např. z betonářské výztuže nebo z předpínacích tyčí, které se běžně dodávají ve větších profilech. Profil trnu 1 může být různý, zvolí se podle velikosti přenášené síly. Běžné lze užít profily např. od 25 do 40 mm. Kotevní délka se zvolí podle profilu trnu, obvykle od 20 do 40 cm - délka trnu je tedy 40x80 cm.

Ohybové momenty

Tahové trny, které přenášení ohybové momenty spolu s tlakovým napětím na kontaktu mezi segmenty 7, se umísťují k lícovému nebo rubovému povrchu segmentu (obr. 1 a obr. 2). Pozice je dána tvarem kontaktní plochy a polohou těsnicího pásku mezi segmenty. Trny se zhotoví s běžných betonářských výztuží. S ohledem na limit délky trnů a kotevní délku se doporučují spíše nižší profily trnů běžně od 16 do 32 mm, kotevní délka se pak pohybuje přibližně od 30 do 65 cm, délka trnu je tedy 60<l30 cm.

Spoj betonových segmentů tunelového ostění podle tohoto vynálezu poskytuje pevné, dostatečně únosné propojení jednotlivých segmentů 7 tunelového ostění pomocí trnů 1.. Důvodem je například potřeba rozebrání části ostění z důvodů výstavby tunelové propojky, výklenku atd. Okolní segmenty 7 se proto spojí k sobě a tím se síly v prstencích ostění přenesou do okolních prstenců a poíté je část ostění možné vyjmout. Propojení segmentů pomocí trnů však lze využívat obecněji pro všechny případy, kdy je zapotřebí přenášet síly mezi jednotlivými segmenty.

Claims (6)

1. Spoj betonových segmentů tunelového ostění, uspořádaného do na sebe navazujících prstenců, zejména při zhotovení tunelových propojek nebo výklenků v tunelu, kde spojované segmenty (7), které jsou vyztužené betonářskou nebo rozptýlenou výztuží, jsou uloženy v předem známé definované poloze v tunelu a se znalostí, na jaké síly je jejich spojení dimenzováno, vyznačující se tím, že sousedící spojované segmenty (7), které jsou k sobě přivrácené svými postranními stěnami a navzájem vůči sobě těsněné, jsou opatřeny proti sobě situovanými trubkami (2) vytvářejícími kanálek, do kterého je uložen ocelový trn (1) zasahující do obou spojovaných segmentů (7) tak, že mezi jeho povrchem a vnitřní stěnou každé trubky (2) je vytvořen prostor (3) pro vyplnění injektážní maltou prostřednictvím injektážní nebo odvzdušňovací trubky (5) situované uvnitř každého ze spojovaných segmentů (7), těsněné napojené na kanálek, kde vnitřní konec každé injektážní nebo odvzdušňovací trubky (5) přiléhá k odpovídajícímu konci ocelového trnu (1) s možností volného průchodu tekuté injektážní malty a vzduchu do prostoru (3) mezi jeho povrchem a vnitřní stěnou každé trubky (2) kanálku.

2. Spoj betonových segmentů tunelového ostění podle nároku 1, vyznačující se tím, že ocelový trn (1), situovaný v kanálku je na každém svém konci opatřen středícím prostředkem.

3. Spoj betonových segmentů tunelového ostění podle nároku 1, vyznačující se tím, že injektážní nebo odvzdušňovací trubka (5), která přiléhá k odpovídajícímu konci ocelového trnu (1) v kanálku, je na svém vnitřním konci seříznutá pro umožnění volného průchodu tekuté injektážní malty do prostoru (3) mezi povrchem ocelového trnu (1) a vnitřní stěnou každé trubky (2) kanálku a vzduchu z tohoto prostoru (3) ven.

4. Spoj betonových segmentů tunelového ostění podle nároku 1, vyznačující se tím, že těsnění sousedících spojovaných segmentů (7) je vytvořeno těsnícím kroužkem (6) např. z pryže nebo plastu, který je osazen v kruhovém žlábku v oblasti styku segmentů (7).

5. Spoj betonových segmentů tunelového ostění podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch ocelového trnu (1) je nerovný, např. žebrovaný, profilový nebo zdrsněný.

6. Způsob spojování segmentů tunelového ostění podle některého z předcházejících nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že prostor (3) mezi ocelovým trnem (1) a vnitřní stěnou každé trubky (2) kanálku spojovaných segmentů (7), které se v dotykové spáře utěsní, se vyplní tekutou injektážní maltou, po jeho úplném vyplnění se odvzdušní a injektážní malta se ponechá zatuhnout a zatvrdnout, čímž se ocelovými trny (1) segmenty (7) pevně spojí a síly v prstencích ostění tunelu se přenášejí do okolních prstenců, načež se část ostění určená pro propojku, výklenek nebo jiné narušení celistvosti segmentového ostění vyjme.