Лекции №13, 14. Закрытые способы строительства подземных сооружений.

Различают следующие основные методы разработки грунта (раскрытия сечения выработки): сплошного забоя, уступный, опертого свода, опорного ядра, раскрытия на полный профиль по частям (табл. 1).

Таблица 1. Методы разработки грунта.

Грунты разрабатывают:

– отбойными молотками или пневматическими лопатами – грунты 1...V категории с коэффициентом крепости f =1...2;

– специальными органами, установленными на щитах и тоннеле-проходческих машинах, – грунт I...IX категорий с f = 3...6;

– буровзрывным – грунты V...ХI категорий с f = 2...3; в грунт забуривают шпуры диаметром 36...42 мм и глубиной 2...4 м, в которые помещают заряды взрывчатого вещества. В результате взрыва грунт разрушается и забой продвигается на 2...4 м. Для бурения шпуров применяют бурильные молотки пневматического, электрического или гидравлического действия, высокочастотные бурильные с частотой ударов до 3500...4000 мин^-1, обладающие высокой производительностью и имеющие сравнительно небольшую массу, гидравлические перфораторы, не создающие сильного шума, не загрязняющие атмосферу.

Для повышения производительности перфораторы закрепляют на специальных поддерживающих приспособлениях – механических стойках-подпорках, горизонтальных или вертикальных колонках распорного типа, пневматических поддержках или манипуляторах на погрузочных машинах. В выработках большого сечения применяют буровые рамы.

Грунт грузят электрическими, пневматическими, гидравлическими погрузочными машинами ПНБ-ЗК, ПНБ-4 или тоннельными экскаваторами (Э-6514, ЭП-1 и др.), а перемещают цикличным (рельсовым или автомобильным) или непрерывным (конвейерным, трубопроводным) транспортом.

Крупные (камерные) выработки для размещения больших подземных зданий и сооружений производят двумя способами (рис. 1): первый – разработка подсводовой части камеры, затем – основного массива (ядра), закрепление стен; второй – создание прорези в грунте по периметру камеры, крепление свода и стен из этой прорези, рыхление грунтового ядра. Первый этап применяют в крепких скальных грунтах, второй – в грунтах средней крепости и мягких, а также при больших пролетах выработок. Причем вышерасположенный участок следует надежно закрепить для обеспечения устойчивости грунта и безопасности рабочих. Грунт необходимо копать с минимальным нарушением массива. Применение контурного взрывания – обязательно. В подсводовой части камеры используют способ сближенных зарядов, а в уступах – предварительного щелеобразования.

Подземную камеру удобнее вскрывать с обоих торцов, чтобы организовать работы встречными забоями. Если это требование нельзя выполнить, то необходимо проходить вспомогательные выработки к торцам или к средней части камеры.

Разработку камерных выработок в крепких (скальных) грунтах начинают с верхней части и осуществляют в два этапа или один (при пролете до 20 м). В соответствии со СНиП 3.07.01-85 проходку подсводовой части подземного сооружения пролетом до 20 м в устойчивых крепких скальных породах разрешается выполнять на полное сечение с последующим возведением обделки свода.

Размеры верхней подсводовой части сечения выработки должны обеспечить бесперебойную работу погрузочного и транспортного оборудования, пропуск транспорта и вентиляционных труб под опалубочными агрегатами. Высоту верхней части выработки назначают минимальной в зависимости от габаритов оборудования (6...9 м).

На коротких нарушенных или ослабленных участках грунта можно не бетонировать свод вплотную к забою, а применить двойной набрызг; комбинированную анкерно-набрызг-бетонную крепь.

После взрыва зарядов и оборки кровли на поверхность выработки наносят покрытие из набрызг-бетона толщиной 5 см. После погрузки породы через это покрытие пробуривают шпуры, устанавливают анкеры и на них навешивают сетку. Через 2...3 сут после первого наносят второй слой набрызг-бетона, доводя общую толщину до 100...150 мм.

В грунтах средней крепости и в мягких разработку ведут способом опертого свода, если грунты способны выдержать давление от пят свода обделки. Используют буровзрывной способ с подработкой отбойными молотками или применяют проходческие комбайны избирательного действия со стреловидным рабочим органом (типа ПК-9р, 4ПП-5 и др.).

Рис. 1. Последовательность разработки крупных выработок:
а – с первоначальной разработкой и креплением подводной части; б – с устройством прорези по контуру камеры и креплением стен и свода; в, г – способом опертого свода; д – уступным; с, ж – схемы щитов соответственно механизированного с горизонтальными рассекающими полками, с рабочим органом избирательного действия; з, и – схемы тюбингоукладчиков соответственно рычажного и кольцевого; 1 – корпус щита; 2 – рассекающая полка; 3 – погрузчики; 4 – рабочий орган избирательного действия; 5 – тюбинг; 6, 9 – укладчики соответственно рычажный и кольцевой; 7 – ковш; 8 – держатель. Римскими цифрами дана последовательность проведения работ; буквами – последовательность работ в одном уровне.

Принцип проходки камеры способом опертого свода показан на рис. 1, б, г. Породу в подсводовой части рыхлят захватками 3...6 м по длине камеры последовательно или через 2...3 участка и бетонируют свод. После приобретения бетоном 60 %-ной прочности приступают к разработке следующей захватки.

Уступ, на который опирают кружала свода, создают после достижения бетоном проектной прочности для обделки, воспринимающей полную расчетную нагрузку, и 75 %-ной проектной прочности для обделки, сооружаемой в скальных породах с f_кр = 4 и выше.

После возведения железобетонного свода по всей длине камеры приступают к разработке породного массива (ядра) сверху вниз уступами высотой до 3 м, также по способу опертого свода, с оставлением берм (целиков породы) вдоль стен для опирания на них вышележащих участков свода или стен. Ширину берм устанавливают по проекту в зависимости от нагрузки.

Рекомендуется бетонировать стены и разрабатывать бермы в пределах каждого уступа в шахматном порядке или одновременно с обеих сторон камеры. Стены крепят в процессе разработки берм.

Бетонирование стен камерных выработок аналогично бетонированию протяженных сооружений с помощью передвижных или переносных секционных опалубок.

Интересно бетонирование сводов крупных подземных сооружений с использованием армокаркасов, представляющих собой полуарки шириной 2 м, выполненные из арматуры в виде сквозных ферм. К их внутренней стороне прикреплена сетчатая тканевая опалубка.

Работы ведут таким образом: разработка породы – комбайном со стреловидным рабочим органом избирательного действия (на отдельных участках возможно применение буровзрывных работ); перегрузка породы с горизонта на горизонт (от ступени к ступени) – бульдозерами или погрузодоставочными машинами на гусеничном или пневматическом ходу; бурение под анкеры – буровыми установками. При нанесении набрызг-бетона используют автосопловщик. Породу экскаватором или мощным ковшовым погрузчиком грузят на автосамосвалы, при этом следует применять высокопроизводительное оборудование (вместимость ковша экскаватора или погрузчика составляет 2...Зм³, грузоподъемность автосамосвалов – 20...30 т).

Для улучшения напряженно-деформированного состояния обделки подошву выработки выполняют в виде обратного свода, который бетонируют, замыкая крепь по контуру выработки. Постоянную монолитную бетонную обделку возводят, когда основные деформации набрызг-бетонного покрытия уже произошли.

Щитовой способ.

Для разработки грунта широко применяют проходческие щиты, представляющие собой передвижную крепь, позволяющую под защитой разрабатывать грунт и возводить обделку. Формы поперечного сечения щитов – круговая, сводчатая, прямоугольная, трапецеидальная, эллиптическая и пр. По способу рыхления различают немеханизированные и механизированные щиты. В первом случае грунт разрабатывают вручную или с применением ручных инструментов, во втором все операции полностью механизированы и выполняются специальным рабочим органом. Проходческий щит кругового очертания представляет собой стальной цилиндр, состоящий из ножевого и опорного колец, а также хвостовой оболочки (см. рис. 1).

Ножевое кольцо подрезает грунт по контуру выработки и служит для защиты работающих в забое людей. При проходке в мягких – грунтах оно имеет уширенную верхнюю часть – аванбек, а в слабых – предохранительный козырек. Опорное кольцо вместе с ножевым – основная несущая конструкция щита. По периметру опорного кольца равномерно располагаются щитовые домкраты, служащие для передвижения агрегата. Хвостовая оболочка закрепляет контур выработки в месте возведения очередного кольца обделки.

Немеханизированные щиты оснащают горизонтальными и вертикальными перегородками, выдвижными платформами, а также забойными и платформенными домкратами.

Работы по щитовой проходке начинают с монтажа щитов и оснащения их необходимым оборудованием. В зависимости от вида подземного сооружения, глубины его заложения и инженерно-геологических условий щиты собирают в открытых выемках или котлованах, опускают целиком через шахтный ствол или внутри камеры либо монтируют в специальных подземных камерах.

Технология щитовой проходки зависит главным образом от типа щита, свойств грунта и вида обделки. При проходке немеханизированными щитами разработку, погрузку и транспортирование грунта производит так же, как при горном способе работ с применением стандартного горнопроходческого оборудования (бурильные молотки, погрузочные машины, вагонетки, электровозы и пр.). Успешно применяют проходческие щитовые комплексы КТ 1-5,6; ТЩБ-3, КМ-19, КТ-5,6Б2, которые состоят из щитового агрегата и оборудования для выполнения горнопроходческих, монтажных, гидроизоляционных и вспомогательных работ. Уровень механизации щитовых комплексов достигает 90...95 %, а скорости проходки тоннелей диаметром 5...6 м составляют 300...400 м в месяц и более.

Рис. 2. Виды временной крепи и опалубки: а - арочная; б - комбинированная; в, е - опалубки соответственно телескопическая (складывающаяся) и сборно-разборная; 1 - арка; 2 - затяжка; 3 - плиты; 4 - распорки; 5 - основание; б - анкеры; 7 - сетка; 8 - анкерные крепления; 9 - тележка; 10 - секция опалубки; 11 - домкрат; 12 - тюбинг; 13 - рычажный укладчик.

Схемы механизации щитовых работ отличаются способами разработки грунта, крепления кровли и лба забоя, все остальные операции по погрузке и транспортированию грунта, по возведению и гидроизоляции обделки выполняют аналогично. Из забоя щита грунт поступает на магистральный транспортер-перегружатель, в конце которого помещается бункер с двумя затворами, что позволяет выгружать грунт в вагонетки. На мосту закреплены толкатели нижнего или верхнего действия, при помощи которых перемещаются отдельные вагонетки, тележки с блоками, пневмобетоноукладчики и т. п.

По мере разработки грунта выработку крепят арочной, анкерной, набрызг-бетонной, комбинированной временной контурной крепью (рис. 2). Арочную крепь устраивают из металлических прокатных профилей (двутавры, швеллеры, трубы), изогнутых по контуру выработки. Каждая арка состоит из двух или четырех элементов, соединяемых на болтах. Арки устанавливают с шагом 0,8...1,5 м, опирая на грунт через деревянные подкладки и раскрепляя деревянными или металлическими распорками. Пространство между арками затягивают досками, железобетонными плитами или гофрированным» стальными листами. В сводовой части устраивают сплошную затяжку, разбирая ее перед бетонированием. Крепь устраивают в виде анкеров, расположенных в пробуренных скважинах, «подвешивая» к ненарушенному массиву участок нарушенного грунта; применяют клиновые и распорные металлические анкеры с замковым устройством, железобетонные (набивные, нагнетательные и перфорированные), закрепляемые по всей глубине шпура, сталеполимерные анкеры, закрепляемые в шпурах эпоксидными или полиэфирными смолами и вступающие в совместную работу с окружающим массивом через 1...2 ч после установки.

В выработках большого размера используют предварительно напряженные анкеры, которые заделывают в донной части шпура цементным раствором и натягивают гидравлическими домкратами. Они вступают в работу до начала деформаций грунтового массива. В последнее время разработаны самозабуривающиеся анкеры с буровой головкой: клиновые, прорезные и полимерные.

Монолитную бетонную обделку возводят чаще всего в инвентарной подвижной телескопической или сборно-разборной опалубке (см. рис. 2, в, г).

Подвижную телескопическую опалубку выполняют из отдельных секций длиной l_с = 2...3 м, изготовленных из кружальных ребер покрытых стальными листами. Каждая секция состоит из нескольких элементов, соединенных между собой шарнирами, что позволяет складывать опалубку и перевозить под установленными секциями. Все секции опалубки перемещаются на одной монтажной тележке, оснащенной домкратами и лебедками. После установки очередной секции в проектное положение ее на болтах присоединяют к ранее установленной.

Сборно-разборная опалубка состоит из отдельных сварных элементов по типу тюбингов, соединяемых между собой болтами. Монтаж и демонтаж секций производят одним или двумя рычажными агрегатами (укладчиками).

Сборные обделки при щитовой проходке монтируют тюбинго и блокоукладчиками. Они имеют электрический, пневматический, гидравлический или комбинированный привод, размещаются непосредственно на щите или на специальной тележке и. делятся на укладчики рычажного, дугового (кольцевого) и кассеиного типа. Укладчики рычажного типа состоят из телескопического рычага с выдвижной балкой, который может поворачиваться вокруг центральной оси щита (см. рис. 2). Совмещение погрузочных и монтажных операций достигается за счет использования рычажных укладчиков с полым валом, через который проходит конвейер для выдачи разработанного грунта за пределы щита. Применяют двурукие укладчики с полым валом, размещенные на тележке с роликовыми опорами, а также балочного типа с рычагом П-образной формы.

Обделки монтируют снизу вверх. Очередной блок закрепляют на выдвижной балке, поднимают обделку к оболочке, а после передвижки щита обжимают обделку в грунт. Укладчики дугового и кольцевого типа позволяют монтировать блоки массой до 5...6 т.

Укладчик кассетного типа, используемый для обычных и обжатых в грунт обделок, состоит из двух колец: неподвижного, соединенного со щитом гидравлическими домкратами, и вращающегося (кассеты). Блоки обделки поочередно укладываются на выдвижные балки и переносятся вращающейся кассетой в проектное положение с последующим обжатием стыков.

Для возведения монолитно-прессованных обделок используют шарнирно-складывающуюся опалубку, перестановщик опалубки на специальной тележке, бетоноукладочные установки, прессующее и распорное кольца.

Применяют щитовые комплексы типа ТЩБ с различными способами прессования бетонной смеси. При проходке в песчаных, песчано-глинистых и мягких глинистых грунтах бетонную смесь прессуют на участке хвостовой оболочки щита. После установки очередной секции опалубки через прессующее кольцо по бетонопроводу укладывают бетонную смесь, которую прессуют щитовыми домкратами под давлением 2...4 МПа при передвижке щита. При проходке в скальных грунтах механизированными щитами бетонную смесь укладывают непосредственно на грунт и прессуют захватками по 35, 36 и 30 см при неподвижном щите. Чтобы не повредить при этом рабочий орган щита, корпус его упирают в забой специально установленными гидравлическими домкратами, расположенными соосно со щитовыми.

В процессе проходки тоннелей щитовым способом выполняют работы по нагнетанию и гидроизоляции обделки, что способствует предотвращению осадок вышележащего грунтового массива, обеспечивает совместную работу обделки с окружающим грунтом.

Для разработки полускальных (иногда – скальных) грунтов применяют тоннелепроходческие машины (ТПМ). При использовании ТПМ в меньшей степени, чем при буровзрывном способе, нарушается сплошность грунтового массива, уменьшается опасность вывалов, осадок.