УСИЛЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ОБДЕЛКИ

Возрастание величины нагрузок от горного давления, изменение их характера (односторонние, неравномерные, несимметричные и т. п.), потеря первоначальной несущей способности обделки, связанная с различными причинами, могут привести к появлению недопустимых дефектов, деформаций и трещин в конструкции. В этом случае на ос­новании детальных обследований, анализа причин разрушений и сравнения вариантов реконструкции решают вопрос об усилении или даже замене существующей обделки.

Усиление несущей конструкции — обделки или всей системы «обделка — порода» — в основном выполняют путем тампонирования пустот за обделкой, цементации самой обделки, торкретированием, устройством железобетонной рубашки — нанесением слоя набрызг- бетона в сочетании с металлической сеткой, анкерами или арками.

Тампонирование пустот за обделкой. Тампонирование таких пу­стот и непосредственно прилегающих к ним трещин в породе является одним из весьма эффективных мероприятий по усилению тоннельных конструкций. Особенно хорошие результаты усиление нагнетанием растворов за обделку дает в том случае, когда при строительстве тон­неля переборы закладывали бутовым камнем насухо. В этом случае нагнетаемый раствор легко проникает в швы кладки, омоноличивает ее, создавая дополнительную несущую конструкцию.

Для тампонирования пустот чаще всего применяют цементные, цементно-песчаные и цементно-глинистые растворы с различными добавками, повышающими их водонепроницаемость, скорость схва­тывания и твердения, уменьшающими усадочные явления, увеличи­вающими радиус растекания и т. п.

Как правило, работы по тампонированию преследуют двойную цель: во-первых, усиление и повышение несущей способности обдел­ки и, во-вторых, осушение выработки. При этом в ряде случаев наг­нетание растворов за обделку с целью ее осушения имеет первосте­пенное значение. Поскольку в обоих случаях порядок производства работ одинаков, его описание дано в главе VII. Следует иметь в виду, что в однопутных тоннелях нагнетание выполняют в «окна», в а двух­путных тоннелях — в «окна» или с поочередным закрытием одного пути. На электрифицированных участках линий предварительно сни­мают напряжение с контактного провода. Работы целесообразно вести с помощью специального рабочего поезда, состоящего из мотовоза и нескольких платформ, на которых установлены подмости, оборудо­вание и материалы для нагнетания.

Цементация обделки. Для повышения прочности и водонепрони­цаемости обделки ее цементируют через пробуренные в шахматном порядке скважины диаметром 45 — 65 мм на глубине не более чем ²/₃ толщины обделки, нагнетают цементный раствор с различными добавка­ми, состав и консистенцию которого выбирают в зависимости от состоя­ния обделки, степени и характера ее повреждения и обводненности.

Прочность материала определяют испытанием на сжатие образцов, выламываемых из обделки, трещиноватость и пористость устанавливают по их удельному водопоглощению. При удельном водопоглоще- нии 5—10 л/мин обделку считают крупнопористой, при водопоглощении 1 — 5 л/мин — среднепористой и при водопоглощении менее 1 л/мин — мелкопористой.

Состав и другие характеристики цементных растворов, применяемых для цементации, выбирают в зависимости от состояния обделки (табл. 6). Водоудерживающая способность раствора, характери-

Таблица 6

зуемая коэффициентом водоотделения, не должна быть меньше 80 % при В/Ц = 1; для растворов, применяемых в обводненных тоннелях, начало сроков схватывания должно наступать не позднее 40 мин, а конец — не позднее 60 мин от начала затворения, для растворов, применяемых в необводненных тоннелях, — соответственно через 4 и 13 ч.

Цементацию выполняют, как правило, гидравлическими плунжерными насосами Ленметростроя или растворонасосами С-251 производительностью 1 м³/ч с максимальным давлением 10 ат. Лучшие результаты дает применение инъекторов с обратной циркуляцией.

С целью придания большей водонепроницаемости и меньшей усадки цементному раствору в него могут быть внесены вспенивающие добавки. Для получения аэрированного раствора вспенивающую добавку «Прогресс» вводят в количестве 0,5— 1,5 % от массы цемента. Аэрированные растворы не расслаиваются, проникают в мелкие трещины и после твердения дают более однородный и прочный цементный камень.

Работы по цементации ведут в «окна», оборудование устанавливают на специальной платформе, подаваемой в тоннель мотовозом (рис.47).

Раствор нагнетают в скважину при начальной консистенции в те­чение 15 мин. Если за это время давление не повышается, переходят к более густым растворам и нагнетают их до тех пор, пока давление не достигнет максимального, установленного в проекте. Под этим давлением скважину выдерживают в течение 10 мин, после чего растворонасос отключают и раствор по обратной линии инъектора спускается в специальный бак.

Рис. 47. Схема размещения на платформе обо­рудования для цементационных работ: 1 — весы; 2 — емкость для цемента; 3 — емкость для добавки; 4— платформа; 5 — водопроводная линия; 6 — резервный бак для воды; 7 — растворомешалка; 8 — бак для раствора; 9—шланги; 10 — манометры; 11 — резервный растворонасос; 12 — основной раство- poiHacoc; 13 — скважины; 14 — пробковые краны; 15 — инъекторы; 16 — распределительная гребенка; 17 — бетонная обделка

Через 28 суток проверяют качество выполненных работ путем нагнетания воды в контрольные скважины и испытания образцов на сжатие. Удельное водопоглощение под давлением 3 ат не должно превышать 0,01 л/мин, а прочность образцов обделки должна быть выше прочности образцов обделки до цементации для крупнопористой обделки на 85 — 100 %, для среднепористой на—60—80 % и для мелкопористой — на 45 — 55 %.

Торкретирование внутренней поверхности обделки. Торкретирование поверхности применяют для ее защиты от выветривания и разъедающего действия дымовых газов, омоноличивания слабой кладки, а также усиления конструкции за счет увеличения ее сечения. Одновременно слой торкрета, наносимый на внутреннюю поверхность обделки, служит жесткой гидроизоляцией и в определенной степени повышает ее водонепроницаемость. Более подробно вопросы, связан­ные с торкретированием, рассмотрены в главе VII.

Торкрет для усиления обделки можно применять лишь в тех слу­чаях, когда после его укладки обделка не будет подвергаться даль­нейшим деформациям, а уменьшение внутренних размеров тоннеля за счет толщины нанесенного слоя не приведет к нарушению габарита.

Количество и толщину слоев, составы наносимых растворов, объем подаваемой к соплу установки воды и необходимость армирования определяют в проекте реконструкции в зависимости от конкретных условий и уточняют опытным путем. Растворы приготовляют на портландцементах любых видов марки 400 и выше или расширяющихся (ВРЦ) и безусадочных (ВБЦ) цементах.

Слои торкрета наносят цемент-пушкой с рабочим давлением до 3,5 ат.

Торкретировать поверхность обделки тоннеля можно также аэри­рованными цементно-песчаными растворами с введением в них, кроме вспенивающей добавки, 1 — 2% жидкого стекла для ускорения схва­тывания.

Железобетонная рубашка. Устройство железобетонной рубашки является весьма эффективным средством и широко используется для усиления по всему контуру обделки тоннелей. Железобетонную рубашку можно устраивать как при наличии достаточных запасов габарита, так и при отсутствии таких запасов.

В первом случае перед устройством рубашки внутренняя поверх­ность обделки должна быть очищена от грязи, копоти, отслаивающих­ся частей кладки. На материале кладки для лучшего сцепления ее бетоном следует сделать насечки.

Во втором случае обделку предварительно подкрепляют несущими кружалами, срубают слой кладки необходимой толщины и лишь затем устраивают рубашку.

С целью предохранения обделки от дальнейшего разрушения железобетонную рубашку (рис. 48) целесообразно устраивать в тон­нелях или на отдельных его участках, где обделка имеет значительные дефекты — каверны, выщелачивание раствора, выветривание материала, сильную трещиноватость и т. д.

Толщину рубашки назначают в зависимости от глубины разрушения кладки, имеющихся запасов габарита, с учетом условий удобства бетонирования, но при всех случаях она должна быть не тоньше 20 см. Арматуру вяжут либо на месте, либо заготовляют на стройплощадке в виде каркасов. Для обеспечения надежной связи железобетонной рубашки с конструкцией арматуру крепят к обделке металлическими
анкерами диаметром 16 — 24 м, закрепляемыми в шахматном поряд­ке с шагом около 1 м.

Бетонируют рубашку, как правило, пневмобетоноукладчиками с передвижных подмостей с использованием опалубки, установленной по кружальным аркам.

Помимо железобетонных рубашек с арматурой обычного типа, в качестве усиливающей конструкции можно применять рубашки, армированные жесткой арматурой, — металлическими кружалами из старогодных рельсов или проката. Такой способ целесообразен в условиях интенсивного движения поездов и особенно в аварийных случаях, когда обделку необходимо немедленно подкрепить. После установки металлических кружал их сваривают, как правило, между собой продольной арматурой в единый каркас и затем укладывают бетон. Опалубка в этом случае может быть прикреплена непосредственно к кружалам.

Все работы по сооружению железобетонных рубашек выполняют в «окна» продолжительностью около 4 ч с передвижных подмостей.

Набрызг-бетон. Нанесение набрызг-бетона на внутреннюю поверхность обделки за последнее время получает все большее распространение и является одним из наиболее прогрессивных, экономичных и эффективных способов усиления тоннельной конструкции.

Рис. 48. Усиление обделки железобетонной рубашкой: 1 — старая обделка; 2 — железобетонный анкер; 3 — металлическая сетка; 4— набрызг-бетон

Набрызг-бетон — высокопрочный, быстротвердеющий бетон, получаемый нанесением на укрепляемую поверхность посредством сжатого воздуха смеси цемента, песка, гравия или щебня и воды с добавкой ускорителей схватывания и твердения. Набрызг-бетон укладывают способом безопалубочного бетонирования, при этом сухая цементно-песчано-гравийная смесь под давлением сжатого воздуха поступает по шлангу и непосредственно перед вылетом из сопла увлажняется. В результате непрерывного послойного трамбования и активизации цемента увеличивается плотность и сцепление набрызг-бетона с поверхностью, возрастает его прочность и повышается водонепроницаемость. При подборе состава набрызг-бетона определяют соотношение состав-

ляющих сухой смеси, выбирают марку цемента и вид добавки- ускорителя, исходя из условий наибольшей прочности при наимень­шем отскоке (табл. 7).

В качестве вяжущего применяют цементы высоких марок 400 — 600 свежего помола, в качестве добавок для ускорения схватывания в отечественной практике используют алюминат натрия, жидкое стекло, фтористый натрий и др.

Подобранный состав набрызг-бетона обычно уточняют на месте производства работ путем опытных нанесений. Выбирают состав, дающий необходимую прочность при наименьшем расходе цемента и минимальном отскоке (не более 15 %).

Ряс. 49. Усиление обделки набрызг-бетоном по металлической сетке: 1 — обделка тоннеля; 2 — набрызг-бетон; 3 — металлическая сетка; 4 — анкеры; 5 — цементный раствор

Рис. 50. Типы анкеров: а — железобетонный перфоанкер; б — железобетонный забивной; в — железобетонный трубчатый; г — металлический анкер, закрепленный искусственной смолой; д — стеклянная ампула со смолой для анкера типа «г»; 1 — гайка; 2 — опорная плитка; 3 — металлический стержень анкера; 4— цементно-песчаный раствор; 5 — шпур; в — трубка с перфорацией; 7 — трубчатый анкер; 8 — полость трубы; 9 — «усы» анкера; 10 — клин; 11 — уплотнитель; 12 — корпус стеклянной ампулы; 13 — ампула с отвердителем; 14 — смола с песком

Набрызг-бетон наносят с помощью специальных машин, гори­зонтальными полосами шириной 50 — 60 см за один прием. Толщина слоя, наносимого за один прием, равна 5 — 7 см, причем суммарная толщина набрызг-бетонного покрытия обычно не превышает 20 см.

В зависимости от характера и степени разрушения тоннельной обделки конструкция ее усиления с применением набрызг-бетона может быть принята различной. Такими конструкциями могут служить сплошные набрызг-бетонные покрытия и набрызг-бетонные покрытия в сочетании с анкерами. В обоих случаях покрытие может быть выполнено как по металлической сетке — армированный набрызгбетон (рис. 49), так и без нее.

При сочетании набрызг-бетонного покрытия с анкерной крепью обделку предварительно заанкеривают штангами в породу. Для этой цели через обделку бурятся шпуры диаметром 36 — 42 мм на глубину до 3 м, в которые устанавливают анкеры. К этим анкерам подвешивают металлическую сетку, и наносят набрызг-бетонное покрытие требуемой толщины. Таким образом обеспечивается совместная работа всей сис­темы «укрепленный анкерами породный свод—обделка — набрызг-бетонное усиление, армированное металлической сеткой».

Для применения анкеров в качестве элементов, входящих в по­стоянную несущую конструкцию тоннеля, необходимо обеспечить их долговечность. Наиболее надежными для этих целей являются желе­зобетонные или металлические анкеры, закрепленные в скважинах смесью из синтетической смолы и песка, что обеспечивает их надеж­ную защиту от коррозии (рис. 50).

Набрызг-бетонное покрытие может быть выполнено также и в со­четании с несущими металлическими кружальными арками. В этом случае, как и при устройстве железобетонной рубашки, они выполняют роль жесткой арматуры и порядок их установки остается таким же. Разница заключается лишь в том, что вместо укладки монолитного бетона применяют безопалубочный метод бетонирования, т. е. набрызг- бетон. Работы по усилению обделок с применением набрызг-бетона обычно выполняют в «окна» продолжительностью не менее 4 ч с подмостей и с помощью специального оборудования, установленных на платформах, передвигаемых по тоннелю мотовозом.