Власов С.Н., Торгалов В.В., Виноградов Б.Н. Строительство метрополитенов
Подождите немного. Документ загружается.
Способ раскрытия выработки
наполное сечение почастям
Этот способ в$отличие от$рассмотренных выше предусматривает разработку грунта
и$установку временного крепления по$отдельным частям сечения при движении сверху
вниз, что обеспечивает в$конце разработки раскрытие выработки полностью на$все
сечение тоннеля в$пределах одного кольца шириной 2-4$м$в$зависимости от$геологических
условий. После разработки грунта приступают к$возведению обделки из$монолитного
бетона или из$сборных элементов, двигаясь снизу вверх.
Существует несколько вариантов производства работ по$этому способу: раскрытие
на$полное сечение (полный профиль) с$применением веерного крепления (так называемый
австрийский способ), раскрытие на$полное сечение по$частям с$креплением прогонами
и$торцовыми фермами (английский способ), способ подсводного разреза и$др.
Преимущество этих способов состоит в$том, что представляется возможность
осуществлять возведение обделки без перерывов (что повышает ее$качество), а$также
использовать сборную обделку. Применяются эти способы в$основном в$устойчивых
необводненных грунтах, глинах, сланцах, мергелях в$тех случаях, когда нет большого
давления на$крепь. Однако способ раскрытия на$полное сечение с$использованием
веерного крепления отличается наибольшей трудоемкостью, большим расходом
лесоматериалов, сложностью устройства крепления. Возникающие в$процессе
строительства работы по$перекреплению выработок могут привести (при наличии горного
давления на$крепь) к$деформации торного массива и$поверхности. Поэтому этот способ
при строительстве метрополитенов не$применяют.
Раскрытие на$полное сечение по$частям с$креплением прогонами и$торцовыми
фермами применяют при сооружении первых (прорезных) колец сборной обделки камер
для монтажа щита или тюбингоукладчика, а$также при сооружении других камер
и$участков тоннелей небольшой протяженности, главным образом со$сборной обделкой.
Виды временных крепей при горном
способе работ
В$качестве временной крепи используют деревянную крепь, металлическую
арочную или рамную крепь, анкеры, набрызг-бетон и$комбинации этих видов крепи. При
выборе крепи учитывают размеры пролета выработки и$степень трещиноватости
и$устойчивости пород.
Деревянную временную крепь, используемую при горных способах производства
работ, в$настоящее время применяют главным образом в$мягких слабоустойчивых грунтах
(глинах, суглинках, супесях, песках). Кроме деревянной крепи, в$таких условиях можно
использовать металлическую арочную крепь, изготовляемую из$двутавровых балок или
широкополочных двутавров.
При разработке выработки на$полное сечение за$один прием применяют стальную
арочную крепь (рис.$114), состоящую из$двух элементов, опирающихся на$подошву
выработки или на$уступы породы вне контура профиля тоннеля.
При разработке забоя уступным способом с$опережением верхней части забоя
выработку закрепляют арочной крепью в$два приема. Вначале при проходке калоттного
профиля закрепляют выработку арками с$опиранием их$на$продольные рандбалки
(двутавры, положенные на$бок). При разработке породы в$нижней части тоннеля под
арочную крепь подводят стойки. Элементы крепи соединяют с$помощью стальных
пластин и$болтов. В$продольном направлении арки раскрепляют стяжками-распорками.
Зазор между арками и$породой тщательно расклинивают. Кровлю и$бока выработки
затягивают деревянными досками (затяжкой). Установка стальной арочной крепи
выполняется быстро. При необходимости крепь оставляют в$бетонной обделке в$качестве
арматуры.
Рис.$114. Стальная арочная крепь:
1$— арка из$стального двутавра; 2$— стяжка-распорка; 3$—лг.дощатая затяжка
Рис.$115. Схема анкерного крепления: 1$— клиновые анкеры; 2$— опорные шайбы
Рис, 116. Анкеры:
а — клинощелевой сплошной;$б — клинощелевой составной; в$— железобетонный; 1$— клин; 2$— опорная
шайба; 3$— стальной стержень анкера; 4$— прорезь в$стержне; 5-гайка; 6$— стержень из$арматурной стали;
7$— цементный раствор; 8$— хвостовик с$проушиной для крепления сетки
Анкерная крепь — это металлические стержни, вставленные в$предварительно
пробуренные в$кровле и$боках выработки шпуры. Стержни закрепляют в$шпурах
различными способами. Анкеры как$бы «прошивают» слои пород, расположенных вокруг
выработки, не$дают им$расслаиваться и$обрушаться.
Анкерную крепь (рис.$115) рекомендуется применять при проходке тоннелей
в$скальных и$полускальных породах, устойчивых и$средней устойчивости,
с$коэффициентом крепости не$ниже 4. В$более слабых породах анкерную крепь следует
применять совместно с$набрызг-бетоном или металлической арочной крепью. Анкерную
крепь устанавливают немедленно после разработки породы в$забое. При этом призабойная
зона не$загромождается, что дает возможность механизировать проходческие работы
и$облегчает условия проветривания, отпадает необходимость в$защите крепи
от$повреждения при производстве взрывных работ.
Различают анкеры: металлические (клинощелевые и$распорные) железобетонные
и$сталеполимерные.
Просты по$конструкции и$достаточно надежны клинощелевые анкеры (рис.$116, а,б).
Комплект такого анкера состоит из$стержня с$резьбой на$одном его конце и$прорезью
на$другом, клина, опорной шайбы и$гайки. Анкер вставляют в$шпур, диаметр которого
несколько больше стержня анкера. Под действием ударов, наносимых по$наружному
концу анкера, он$заглубляется в$шпур, при этом его замковая часть расширяется
и$раскрепляется в$стенки шпура. Затем на$выступающий конец анкера надевают шайбу
и$завинчивают гайку с$некоторым натяжением анкера.
Одной из$особенностей устройства анкерной крепи является необходимость точного
соблюдения размеров элементов анкера, что достигается при изготовлении анкеров только
в$заводских условиях. Рабочие поверхности клиньев и$прорезей клинощелевых анкеров
должны быть гладкими и$плоскими, благодаря чему обеспечивается высокая надежность
их$закрепления.
Для широкого применения рекомендуются железобетонные набивные анкеры,
которые могут быть использованы в$большом диапазоне инженерно-геологических
условий. Конструкция такого анкера предельно проста; он$обладает высокой несущей
способностью и$долговечностью, что позволяет использовать эти анкеры в$качестве
составных элементов обделки.
Железобетонный набивной анкер (рис.$116, в) состоит из$стержня, изготовленного
из$арматуры периодического профиля с$проушиной на$конце, стержень устанавливают
в$шпур диаметром 42$мм, предварительно заполненный цементно-песчаным раствором.
Для заполнения шпуров применяют раствор, состоящий из$глиноземистого цемента
марки М400-М500 и$песка в$соотношении по$массе от$1:0,5$до$1:1,5 при водоцементном
отношении В/Ц=0,3-0,4$с$добавкой 6% (по$массе) хлористого кальция (такая добавка
ускоряет набор прочности раствором).
Анкеры устанавливают рядами по$прямоугольной сетке в$соответствии
с$утвержденным паспортом временного крепления, в$котором должны быть указаны тип
и$длина анкеров, расстояние между ними и$степень натяжения стержней.
В$тех случаях, когда из$промежутка между анкерами могут выпадать мелкие куски
породы, на$выступающие в$выработку концы анкеров следует навешивать металлическую
сетку (из$проволоки диаметром не$менее 3$мм), прикрепляя ее$к$анкерам с$помощью
штырей, гаек и$опорных шайб. В$трещиноватых и$сильнотрещиноватых породах анкеры
следует объединять подхватами из$полосовой или швеллерной стали.
Одними из$перспективных видов анкерной крепи являются сталеполимерные анкеры
(СПА). Армирующий стержень такого анкера закрепляется в$шпуре быстротвердеющими
синтетическими смолами.
В$настоящее время широко применяют патронированный способ использования
синтетических составов, при котором закрепляющую смесь вводят в$шпур в$ампулах-
патронах из$целлюлозы, стекла или полиэтилена. Такая ампула (рис.$117) представляет
собой двухкамерную оболочку, одна из$камер содержит смолу с$наполнителем, другая —
отвердитель-инициатор с$модификатором.
Армирующий стержень анкера выполнен из$стали периодического или гладкого
профиля со$скошенным концом. При вращении или забивании анкера скошенный конец
стержня разрывает оболочку с$закрепляющим составом и$перемешивает его. При этом
обеспечивается высокая степень сцепления стержня с$породой.
Разработанные составы и$технология возведения СПА позволяют применять
их$в$сухих и$обводненных шпурах, а$также при отрицательной температуре грунта (до$—
10?С). Несущая способность СПА уже через 15$мин достигает 90$Н$и$в течение суток
увеличивается до$200-250$кН.
В$скальных трещиноватых и$сильнотрещиноватых породах, плотных глинах,
мергелах в$качестве временной крепи применяют набрызг-бетон.
Сущность способа крепления выработки набрызг-бетоном заключается в$том, что
сразу после разработки грунта или в$процессе ее$на$обнажаемую поверхность выработки
наносят поддерживающий слой из$быстросхватывающегося и$быстротвердеющего бетона.
Этот слой наносят методом набрызга (торкетированием). Это достигается путем подачи
по$шлангу под давлением сжатого воздуха сухой смеси песка, мелкого щебня и$цемента,
которая в$специальном устройстве — сопле — смешивается с$водой и$выбра-сыйается
на$набрызгиваемую поверхность. Высокая скорость истечения смеси от$сопла
обеспечивает ее$плотную укладку и$хорошее сцепление с$породой.
Рис.$117. Схема установки сталеполимерного анкера:
а — введение в$конец шпура ампулы-патрона с$закрепляющим составом;$б — введение в$шпур анкерного
стержня; в$— вращение анкерного стержня с$целью разрушения ампулы-патрона и$перемешивания
закрепляющего состава, досылка стержня до$дна шпура; г$— анкер в$рабочем положении; 1$—
полиэтиленовая ампула-патрон с$закрепляющим составом; 2$— смесь связующего (смолы) и$наполнителя
(песка); 3$— отвердитель, заключенный во$внутреннюю полиэтиленовую или стеклянную оболочку; 4$—
анкерный стержень; 5$— уплотняющая шайба; 6$— натяжная гайка; 7$— плоский опорный элемент
В зависимости от$требуемой марки набрызгбетона на$1$м
3
$сухой смеси расходуется
от$250$до$350 кг$цемента.
При креплении поверхности подземных выработок набрызгбе-тоном необходимо
обеспечить условия для быстрого увеличения его прочности. Применяют
быстротвердеющие цементы БТЦ, глиноземистые и$водонепроницаемые расширяющиеся
цементы ВРЦ, портландцементы с$добавками, ускоряющими процесс твердения.
В$комплекс оборудования для нанесения набрызгбетона входят: установка для
приготовления сухой смеси, средства для подачи сухой смеси к$забою, торкрет-машина
и$механизм для перегрузки сухой смеси, резервуары для воды с$растворенной в$ней
добавкой, ускоряющей твердение смеси, передвижные подмости, которые используют при
нанесении покрытия на$свод и$стены тоннеля.
Новые методы сооружения тоннелей
горным способом
Описанные выше горные способы работ (опертого свода опорного ядра, раскрытия
на$полное сечение по$частям) являются трудоемкими, поскольку разработку грунта
и$устройство обделки ведут отдельными частями, а$не$на$все сечение тоннеля.
При этих способах вследствие загромождения сечения тоннеля временным
креплением и$необходимости возведения постоянной обделки на$узком фронте работ
возможность применения высокопроизводительной горнопроходческой техники
ограничивается, а$скорости проходки низкие.
Разработаны новые методы работ, которые позволяют раскрывать сечение тоннеля
сразу на$возможно больший профиль с$установкой временной крепи, не$загромождающей
сечение, и$последующим возведением постоянной обделки на$широком фронте. К$таким
методам относятся:
метод проходки с$устройством податливого свода (разработан австрийскими
инженерами в$середине шестидесятых годов и$получил название новоавстрийского);
метод проходки с$устройством арочно-бетонной крепи (предложен советскими
специалистами);
новый вариант метода опорного ядра.
Метод проходки сустройством податливого свода (новоавстрийский метод).
Разработка технологии работ по$сооружению тоннеля этим методом исходит
из$следующих основных положений.
После проходки горной выработки порода в$естественном массиве постепенно
переходит из$упругого состояния в$состояние потери устойчивости и$далее
в$неустойчивое состояние. Установка временной крепи во$время проходки должна
обеспечить устойчивость массива. При этом крепь может работать как жесткая опора для
окружающего массива, или как податливая конструкция, допускающая деформации
совместно с$массивом.
Рис.$118. Сравнение конструкций обделок, выполненных по$различным
технологиям:
а — горный способ;$б — новоавстрийский способ; 1$— деревянная затяжка; 2$— стальная арка; 3$—
рошпаны (1, 2$и$3$составляют временную крепь, расположенную вне постоянной обделки); 4$— бетонная
или железобетонная постоянная обделка; 5$— обратный свод; 6$— несущий породно-анкерный свод; 7$—
анкеры (в$шахматном порядке); 8$— наружный слой обделки из$набрызгбетона толщиной 5-15$см$(вместе
с$анкерами служит временной крепью); 9$— внутренний слой постоянной обделки из$набрызгбетона или
бетона толщиной 10-35$см
Податливая конструкция крепи дает возможность максимально использовать
собственную несущую способность породного массива. При этом крепление выработки
следует выполнять как можно быстрее после разработки породы с$тем, чтобы эффективно
использовать естественную устойчивость породы до$перехода ее$в$неустойчивое
состояние. Это достигается путем создания податливого свода состоящего из$тонкой
оболочки набрызгбетона, плотно нанесенной на$породу и$армированной (в$случае
необходимости) сеткой или арками, и$слоя прилегающих к$этой оболочке пород,
включенных в$работу свода путем установки в$породу системы анкеров различной длины.
В$таком искусственно созданном податливом своде гибкая оболочка из$набрызгбетона
воспринимает лишь незначительные изгибающие нагрузки, а$слой пород, закрепленный
анкерами, принимает на$себя основное горное давление (рис.$118).
Возведенное таким образом временное крепление, взаимодействующее с$породой
и$плотно к$ней прижатое по$всему периметру выработки, искусственно удлиняет время
сохранения устойчивости горными породами до$тех пор, пока не$будет возведена
постоянная обделка. При этом сечение тоннеля освобождается, что дает возможность
широко применять высокопроизводительные горнопроходческие механизмы,
а$постоянную обделку можно возводить на$значительном удалении от$забоя и$сразу
по$всему сечению с$использованием механизированной опалубки и$бетоноукладочных
машин.
При этом методе в$ходе проходки необходимо систематически вести контрольные
измерения горного давления, нагрузок на$крепь и$деформаций крепи и$массива. Это дает
возможность на$основании результатов измерений в$зависимости от$толщины слоя
набрызгбетона, длины и$диаметра анкеров увеличивать, при необходимости число
анкеров и$толщину слоя набрызгбетона.
Новоавстрийский метод можно применять в$разнообразных и$сложных инженерно-
геологических условиях (например, в$неустойчивых или подверженных пучению породах
при проходке горных тоннелей, а$также для безосадочной проходки тоннелей
метрополитенов).
Новоавстрийский метод дает возможность скоростного и$экономичного сооружения
тоннелей, поскольку применение податливой крепи и$оптимальное использование
естественной устойчивости массива позволяют уменьшить металлоемкость временной
крепи и$толщину постоянной обделки, которую рассчитывают с$учетом восприятия
горного давления временной податливой крепью.
В$благоприятных геологических условиях, например в$скальных породах, можно
применять только набрызгбетон, оставляя небольшое число анкеров в$породе.
Рис.$119. Технологическая схема сооружения тоннеля новоавстрийским методом:
1$— буровой портальный агрегат; 2$— анкеры; 3$— сетка; 4$— слой набрызгбетона; 5$— установка для
нанесения набрызгбетона, смонтированная на$автомобиле; 6$— тележка с$измерительными приборами; 7$—
механизированная опалубка, 8$— постоянная обделка тоннеля
В зависимости от$размеров поперечного сечения тоннеля и$гор-но-геологических
условий раскрытие забоя производят на$полный профиль или одним-двумя уступами
(рис.$119). Технологический процесс включает следующие основные операции (порядок
их$может меняться в$зависимости от$геологических условий):
бурение шпуров, разработка и$уборка породы. При выполнении этих работ
необходимо получить по$возможности более гладкую поверхность выработки для
упрощения набрызгбетонных работ. Целесообразно применять комбайновую проходку,
а$при взрывных работах — способ гладкого взрывания;
нанесение слоя набрызгбетона. Этот процесс должен осуществляться
непосредственно после разработки породы свода с$минимальным отрывом по$времени.
В$зависимости от$геологических условий набрызгбетон наносят на$боковые и$лобовые
поверхности забоя в$несколько слоев, при толщине каждого слоя от$5$до$10 см.$При
нанесении на$металлическую сетку необходимо следить, чтобы она прочно и$плотно была
прикреплена к$породе или ранее уложенному слою набрызгбетона;
установка анкерной крепи. Эту операцию осуществляют в$непосредственной
близости от$забоя сразу после нанесения набрызгбетона. Необходимо строго соблюдать
проектное расположение, глубину и$диаметр шпура; длина и$наклон анкеров могут
меняться в$зависимости от$конкретных геологических условий на$отдельных участках;
проведение контрольных измерений и$поддержание выработки временной крепью
до$возведения постоянной конструкции обделки. Эту работу ведут по$разработанной
заранее программе, определяющей размещение оборудования для измерения, частоту
измерения, обработку информации. Данные контрольных измерений используют при
усилении набрызгбетонной обделки или при расчетах конструкции постоянной обделки;
возведение постоянной конструкции обделки с$учетом данных контрольных
измерений.
Метод проходки сустройством арочно-бетонной крепи. Технология проходки
с$применением арочно-бетонной крепи также базируется на$применении крепей
ограниченной податливости, позволяющих реализовать несущую способность горного
массива. Основными конструктивно-технологическими принципами этой технологии
являются: немедленное возведение у$забоя металлической арочной крепи,
рассчитываемой на$частичное восприятие расчетной величины горного давления
в$строительный период, и$замена традиционной дощатой затяжки бетонным слоем
минимальной толщины, уложенным между породой и$внешней полкой установленной
арки (рис.$120).
Эта крепь ограниченной податливости обеспечивает поддержание выработки
в$строительный период вначале за$счет деформа-тивности собственно арок, а$позже
за$счет ползучести бетона, которая затухает по$мере его твердения. В$этот период
производят замер деформаций арочно-бетонной крепи для контроля правильности
принятых расчетных предпосылок. Если деформации незначительны или отсутствуют,
то$арки можно демонтировать для повторного использования на$следующих участках
тоннеля.
Возведенную таким образом временную арочно-бетонную крепь (с$арками или без
них) используют в$постоянной обделке, в$качестве первого слоя, рассчитанного
на$восприятие горного давления. Толщину второго слоя постоянной обделки определяют
расчетом многослойной системы на$нагрузки эксплуатационного периода
(гидростатическое давление, остаточное горное давление, сейсмические воздействия
и$т.$д.).
В$технологический процесс при этом методе сооружения тоннеля входят следующие
операции:
бурение шпуров, разработка и$уборка породы;
установка арок крепления, монтаж опалубки и$укладка бетона за$арки;
установка марок для измерения смещений бетона, проведение измерений и$принятие
решения о$снятии или оставлении арок;
бетонирование внутреннего слоя постоянной обделки.
Новый вариант метода опорного ядра. Этот метод (рис.$121) применяют в$грунтах
с$коэффициентом крепости от$1$до$4. Технология работ состоит в$следующем. В$начале
по$обеим сторонам будущего тоннеля проходят опорные выработки круглого или
подковообразного поперечного сечения, причем проходку ведут с$опережением одной
выработки по$отношению к$другой. После проведения опорных выработок в$них
бетонируют стены будущего тоннеля. Затем проходят калоттный профиль
с$одновременным возведением свода тоннеля из$сборных или монолитных