Сооружение тоннелей в полускальных и слабых породах

Основные положения технологии сооружения тоннелей

Для проходки тоннелей в полускальных и слабых породах применяют чаще всего способы полностью раскрытого профиля, опорного ядра и опорных стен.

Способ полностью раскрытого профиля впервые был применен в 20-тых годах девятнадцатого столетия при строительстве тоннелей в Австрии, поэтому в технической литературе его называют еще Австралийским. Способ применим в полускальных, слабых и мягких породах с коэффициентом крепости f =1…3, оказывающих значительное горное давление на крепь (слабые сланцы, мергели, глины, гипсы и др.).

Очередность производства работ представлена на рисунке 9.34. Постройка тоннеля ведется кольцевым методом.

1 - проходка нижней штольни; 2 - проходка верхней штольни; 3 - разработка малого верха; 4 - разработка большого верха; 5 - разработка ядра; 6 - разработка боков; 7 - устройство обделки

Рисунок 9.34 – Последовательность раскрытия профиля тоннельной выработки

Работы начинаются с проходки нижней транспортной штольни 1 на всей или большей длине тоннеля для создания возможности развертывания работ одновременно на нескольких участках - кольцах. В пределах кольца работа начинается с проходки фурнеля и последующей разработки верхней штольни 2 на длину кольца принимаемого 6…6,5 м. Порода в нижнюю штольню подается через фурнель, через нее же в верхнюю штольню подается крепежный материал.

Раскрытие малого верха (рисунок 9.35) начинается с устройства между рам штольни борозд с подбоями 1, в которые укладывают короткие лежни подхвата (унтерцуга) 2, а под верхняки рам штольни подводят прогоны 3 (лонгарины), длина которых соответствует длине кольца. Между лежнями и прогонами забивают стойки 4 (штендеры). Тем самым горное давление с верхняков штольни передается на подхват. После забивки первого посада марчеван, опертых на прогоны, начинают разработку породы в поперечном направлении. Перед этим убирают стойки и лежни рам штолен. Раскрытие малого верха (средней калотты) сопровождается последовательной установкой прогонов, поддерживаемых продольными рядами стоек, опертых на короткие лежни подхвата.

Рисунок 9.35 – Технологическая схема раскрытия малого верха

По окончании раскрытия малого верха отрывают новые борозды 5, в которые укладывают (рисунок 9.36) лежни 6 состыкованные по длине (длинные лежни). На эти лежни перекрепляют ранее поставленные прогоны (лонгарины), путем постановки новых длинных стоек 7. После этого осуществляется раскрытие свода в пределах большой калотты. Для предохранения прогонов от сдвига они раскрепляются распорками 8.

Рисунок 9.36 – Технологическая схема раскрытия калотты и ядра выработки

На следующем этапе разрабатывают породу ядра. Для этого отрывают траншею под средней частью прогонов, ширина траншеи принимают достаточной для установки первой пары нижних стоек 9, поддерживающих лежень. Внутренние стойки ставят в продолжение стоек подхвата. Нижние стойки опирают на лежни 10, которые укладывают в подбои нижних штолен. Расширение траншеи сопровождается постановкой следующей пары стоек и так по всей длине кольца. Стойки в узлах должны раскрепляться поперечными 11 и продольными 8 распорками, обеспечивающими устойчивость конструкции временного крепления.

Раскрытие боков выработки ведется сверху вниз с постановкой прогонов, поддерживаемых наклонными стойками, которые опираются в стойки рам штроссы. В итоге образуются плоские рамные конструкции, которые называется тоннельными фермами.

Способ полностью раскрытого профиля дает возможность обеспечить широкий фронт работ, монолитность тоннельной обделки бетонируемой непрерывно в пределах кольца. Однако этот способ имеет существенные недостатки, в результате которых он применяется относительно редко и запрещен в городских условиях.

К основным недостаткам относятся большой расход лесоматериалов, сложность конструкции временной крепи, большой объем ручных работ значительные осадки 5…10 см после каждого перекрепления и в сумме достигающие 30…40 см, что должно учитываться при выборе положения верхней штольни и раскрытии калотты.

Этот способ применяется, как правило, при строительстве коротких тоннелей и небольших специальных выработок.

Сооружение тоннеля способом опорного ядра применяется в тех случаях, когда прочность породы недостаточна для опирания на нее свода (f =0,5…2), а другие способы недопустимы из-за возможных больших осадок, связанных с устройством нескольких перекреплений, а также при большом сечении тоннеля.

Сооружение тоннеля способом опорного ядра включает способ опорных стен и способ объемлющей выработки.

Способ опорных стен в тоннелестроении относится к наиболее старым способам. Впервые он был применен в начале девятнадцатого столетия в Германии, в литературе его также называют германским.

При способе опорных стен сооружение тоннеля (рисунок 9.37) начинают с проходки боковых штолен первого яруса по всей длине тоннеля 1 и бетонирование стен на высоту штолен II. Все оставшееся свободное пространство в штольнях забивают камнем или разработанной породой.

Рисунок 9.37 – Очередность сооружения тоннеля способом опорных стен

Затем выполняют аналогичные работы в штольнях второго яруса 3 и IV, удаляя при этом верхняки и затяжку кровли в штольнях первого яруса.

По готовности стен приступают к проходке верхней штольни 5. Разборку породы свода 6 осуществляют, как и в ранее рассмотренных способах на длину кольца (2…4 м) с использованием забивной крепи. Затем бетонируют свод VII в пределах кольца.

Если при сооружении стен темп работ определяется одним забоем в штольне, то при сооружении свода фронт работ расширяется по мере проходки верхней штольни.

После сооружения свода на значительном участке производят разработку ядра 8 с помощью тоннельных экскаваторов или породопогрузочных машин. При этом внизу между стенами ставят мощные распорки, на которые укладывают рельсы узкоколейных путей.

В заключении разрабатывают котлованы 9 и бетонируют обратный свод X.

Этот способ отличается большой трудоемкостью и продолжительностью, применяется редко при сооружении тоннелей большого сечения.

Способ объемлющей выработки называется еще «колодезный» или «траншейный» способ (рисунок 9.38).

а – очередность выполнения работ; б – схема крепления выработки; 1- стойки подхвата; 2- продольные лежни; 3- лежни верхней штольни; 4- крепь внешней стороны; 5- крепь внутренней стороны

Рисунок 9.38 – Последовательность работ по сооружению тоннеля способом объемлющей выработки

В отличие от ранее рассмотренных горных способов (рисунок 9.38, б) здесь стойки подхвата 1 опираются на продольные лежни 2, уложенные на всю длину кольца по лежням верхней штольни 3.

Для будущих стен в пределах кольца отрывают колодцы с забивной крепью с внешней 4 и внутренней стороны 5 (колодезный способ). Если позволяет горное давление, для возведения стен проходят траншеи в пределах нескольких колец (траншейный способ). Он выгоден тем, что порода из траншей может подаваться транспортерами вдоль тоннеля. При колодезном способе порода поднимается в верхнюю штольню, из нее спускается по фурнелю в нижнюю транспортную штольню.

Ширина колодцев или траншей принимается достаточной для выполнения работ по установке кружал, перекрепления на них затяжки, бетонирования фундаментов, стен и свода без перерыва.

Производство работ в стесненных условиях приводит к удорожанию строительства.

Способ объемлющей выработки отличается большой надежностью, и применим в слабых и водоносных породах, в песках, глинах и суглинках, а также при возведении широких двухпутных тоннелей. Как правило, сооружают обратный свод. Его возведение начинается после удаления породы ядра под защитой обделки. Понизу между стенами ставят мощные распорки, на которые переносят рельсы узкоколейного пути. Под распорками отрывают поперечные траншеи, в которых бетонируют обратный свод.

В последнее время проходка тоннелей в слабоустойчивых породах способом опорного ядра был усовершенствован. Деревянное крепление заменено на металлическое и железобетонное, претерпела изменения и технология проходки.

При сооружении автодорожного тоннеля в рыхлых слабоустойчивых породах (Швейцария) способом опорного ядра сначала проходили боковые штольни увеличенной высоты, равной высоте стены. Временной крепью служили стальные арки (рисунок 9.39).

а, б, в, г – этапы работ; 1,2 – стальная арочная крепь; 3 – порода ядра выработки

Рисунок 9.39 – Сооружение тоннеля способом опорного ядра

После проходки штолен на длину 12…15 м бетонировали стены и плоский лоток в пределах штольни. Затем разрабатывали калотту под прикрытием арок временной крепи установленных с шагом 1 м. разработку породы в штольнях и калотте производили отбойными молотками и вывозили вагонами-думпкарами. Бетонная обделка возводилась под защитой временной крепи. После разборки калотты проходили штроссу и затем бетонировали плоский лоток.

Способ опертого свода впервые был применим в Бельгии в 1928 г. при строительстве судоходного тоннеля в мягких малообводненных грунтах. В литературе его также называют бельгийским. Данный способ может применяться в тех случаях, когда порода способна выдержать давление временно опертого на нее свода тоннельной обделки. Он применим в сухих глинах, суглинках, супесях и даже в сухих лессах, если в ходе работ будет исключено их замачивание.

Работы по строительству тоннеля начинают с проходки нижней штольни, как и в предыдущем случае (рисунок 9.40). После этого проходят фурнель и верхнюю штольню на длине кольца (не более 6,5 м).

а – очередность работ; б – очередность разработки породы боков и бетонирования стен; в – технологическая схема раскрытия и устройства свода тоннельной обделки; 1 - прогон; 2 - стойка; 3 - прокладка; 4 - кружала; 5 - надкружальные мальчики; 6 - подкружальные мальчики; 7 – фурнель; 8 – бетонная смесь

Рисунок 9.40 – Схема организации работ при сооружении тоннеля способом опертого свода

На рисунке 9.40, в поддерживающие прогоны 1 через продольные ряды стоек 2 опираются непосредственно на породу через подкладки 3. Верх раскрывается под защитой забивной крепи, а при наличии крепких пород может быть поставлена и закладная крепь.

По окончании разработки породы до пят свода будущей обделки устраивают кружала свода 4, прогоны перекрепляют на кружала с помощью надкружальных 5 и подкружальных 6 стоек. После этого бетонируют свод, как и в предыдущем способе.

После набора бетоном свода проектной прочности, снимают кружала и под защитой свода обделки разрабатывают породу ядра. Породу по бокам оставляют с бермами шириной 0,25…1,0 м от пят свода.

Разработка породы в боках осуществляется проходкой отдельных ниш глубиной до подошвы контура выработки. В нишах устанавливают кружала, опалубку и производят бетонирование обделки стены снизу до пяты готового свода. При необходимости пята свода поддерживается наклонными стойками. В начале обделка сооружается под углами свода кольца по диагонали (рисунок 9.40, б). Когда все углы свода поддержаны столбами обделки, производят разработку породы в промежутках. Распалубку стен обычно производят через 7…14 суток.

Наиболее ответственной является операция по очистке пят свода и заполнение стыка стены со сводом жестким бетоном. Это место является, как правило, слабым в обделке, здесь зачастую просачивается грунтовая вода. Поэтому в месте опирания свода на стены целесообразно нагнетание за тоннельную обделку цементно-песчаного раствора и цементного молока.

Способ защитного свода является наиболее экономичным из всех горных способов. Быстрое закрепление кровли выработки постоянной обделкой, а также отсутствие перекреплений уменьшает осадку тоннельной конструкции и создает более безопасные условия работ при разработке ядра выработки и сооружении стен.

Основным недостатком способа является сложность подводки стен под свод, что при недостаточном качестве работ может привести к осадке свода.

Дата добавления: 2014-12-29