Способы сооружения тоннелей

Тоннели на путях сообщения, как известно, служат средством преодоления различного рода препятствий или для развития линий под землей.

Тоннель - горизонтальное или наклонное подземное искусственное сооружение, длина которого значительно превышает его поперечные размеры.

Это простое с виду сооружение таит в себе множество сложностей для строителей, которые обусловлены рядом причин.

В первую очередь сюда можно отнести тот факт, что проходка тоннелей, если она осуществляется горными способами, ведется под постоянным воздействием изменяющегося во времени горного давления. Наименьшая величина горного давления имеет место в момент освобождения контура выработки. Со временем деформация горных пород возрастает, вместе с ней возрастает и горное давление. Если не принять своевременных мер по недопущению деформации горного массива, произойдет его обрушение внутрь выработки.

Другим фактором, создающим трудности сооружения тоннелей, является во многих случаях отсутствие достаточной информации о инженерно-геологическом состоянии горного массива и условиях производства работ.

По этой причине, например, значительно затянулись сроки строительства Северо-Муйского тоннеля на БАМе. Строители встретились здесь с сильно трещиноватыми скальными породами. Через трещины в тоннельную выработку поступала горячая вода и пар, что затрудняло, и порой делало невозможным ведение проходческих работ.

Неблагоприятным для строителей фактором можно назвать ограниченный фронт работ и весьма стесненные условия производства проходки тоннельной выработки, что приводит к низкой производительности труда, небольшим темпам проходки.

Отмеченные особенности строительства тоннелей требуют всестороннего обоснования способа их сооружения, строгого соблюдения рекомендаций и указаний технических условий строительства, максимальной собранности и ответственности исполнителей.

Существует множество способов сооружения тоннелей. Выбор способа постройки тоннеля зависит от:

инженерно-геологических условий;

места расположения тоннеля (мысовой, перевальный, подводный);

размеров тоннеля (сечения и длины);

наличия средств механизации.

Принятый для данных условий способ проходки тоннеля должен обеспечить:

полную безопасность работ;

высокие темпы и качество работ;

минимальные затраты сил и средств.

Все множество способов постройки тоннелей можно объединить в три основные группы (рисунок 9.1): открытые, закрытые и специальные.

Рисунок 9.1 – Способы сооружения тоннелей

Открытые способы применяют при неглубоком заложении тоннеля – до 20…25 м. При этом тоннельные конструкции целиком или по частям возводят в котлованах или траншеях с последующей засыпкой готового сооружения. Различают котлованный, траншейный и щитовой открытые способы.

Закрытые способы применяют при глубоком заложении тоннелей. Здесь строительство тоннеля осуществляется без вскрытия поверхности земли. Проходка тоннеля осуществляется горными или щитовым способами.

При горных способах работ создается подземная выработка, закрепляемая временной крепью. Под ее защитой в дальнейшем создается постоянная тоннельная конструкция, называемая обделкой (рисунок 9.2). Обделка тоннеля выполняется из монолитного бетона или сборных железобетонных или чугунных элементов – тюбингов.

При производстве работ горными способами тоннельное сечение обычно раскрывается по частям, путем последовательной проходки ряда вспомогательных выработок, предохраняемых от обрушения породы системой креплений.

1 – верхний свод; 2 – стена; 3 – обратный свод

Рисунок 9.2 – Схема тоннельной обделки

При щитовом способе в качестве временного крепления используется металлическая подвижная крепь – щит (рисунок 9.3). Щитовой способ обычно применяют в мягких породах и породах средней крепости. Крепкие породы разрабатывают тоннельными машинами, исполнительный орган которых оборудован специальными шарошками.

1 – щитовые домкраты; 2 – забой; 3 – сборная обделка

Рисунок 9.3 - Схема немеханизированного щита

Горные способы применяют в разных условиях строительства тоннелей. Термин «горные способы» заимствован из области горно-рудного дела, где разработка породы при проходке выработок осуществляется с использованием ручного или механизированного инструмента, а также буровзрывных работ, своеобразной конструкции временной крепи. Значительное многообразие горных способов можно объединить условно в три группы, характеризующиеся последовательностью проходки горной выработки и устройства тоннельной конструкции. Это способы полного профиля, опертого свода и опорного ядра.

Способы полного профиля применяют в породах разной крепости от мягких до крепких скальных пород. При проходке тоннеля этим способом в слабых породах требуется последовательное раскрытие профиля горной выработки и возведение мощного временного крепления (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4 – Конструкция деревянной временной крепи при проходке тоннельной выработки способом полностью раскрытого профиля

В крепких породах тоннельная выработка раскрывается по частям или сразу на полный профиль, временная крепь ставится значительно слабее и проще по конструкции или вообще не ставится (рисунок 9,5). Особенностью этой группы способов является то, что тоннельная обделка сооружается после разборки всего сечения тоннельной выработки.

а - способом уступного забоя; б – способом сплошного забоя; в - способом передовойштольни (пилот-тоннеля); 1, 2 – этапы работ по проходке тоннеля; II, III – устройство тоннельной обделки

Рисунок 9.5 - Проходка тоннелей в крепких породах

Способ опертого свода применяют в породах средней крепости, способных выдержать давление пят свода обделки с учетом всех нагрузок, действующих на свод. При данном способе вначале разрабатывают верхнюю часть сечения тоннельной выработки, затем сооружают свод, под прикрытием которого разрабатывают низ и возводят стены (рисунок 9.6).

1, 2, 4, 5, 7 – последовательность разработки породы; III, VI, VIII – очередность устройства обделки

Рисунок 9.6 – Очередность работ по устройству тоннеля способом опертого свода

Способы опорного ядра (рисунок 9.7) применяют в мягких породах, плывунах и при большом сечении тоннельной выработки. Проходку тоннельной выработки начинают с разборки породы по периметру профиля тоннельной выработки, параллельно или вслед за разборкой всего контура сооружают обделку и лишь, затем удаляют породу в центре выработки.

1, 3, 5, 6, 8, 9 – последовательность разработки породы тоннельной выработки; II, IV, VII, X – последовательность устройства обделки

Рисунок 9.7 – Очередность работ по сооружению тоннеля способом опорного ядра

Перечисленные способы строительства тоннелей (за исключением щитовых) можно считать классическими. Они сформировались еще в девятнадцатом столетии, отличаются характерными для них особенностями и параметрами. Формирование теории и практики их строительства проходило в странах Западной Европы: Германии, Австрии, Бельгии и др., поэтому в отечественной горнотехнической литературе наряду с русскими названиями широко применялись иностранные термины.

Классические способы сооружения тоннелей в мягких породах (раскрытие на полное сечение по частям, опертого свода, опорного ядра) характеризуются большой трудоемкостью, поскольку разработку грунта и устройство обделки ведут отдельными частями на узком фронте работ при загромождении сечения выработки временным креплением. В таких условиях ведения горных работ исключается возможность применения высокопроизводительной горнопроходческой техники и достижение высоких темпов проходки.

Интенсивное развитие тоннелестроения во второй половине XIX и в XX веке внесло существенное усовершенствование в классические способы тоннелестроения, которое позволило разработать новые методы горнопроходческих работ, отвечающие современному уровню развития горной техники и технологии. К таким методам относятся:

Метод проходки с устройством податливого свода (новоавстрийский метод);

Метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи (предложен советскими специалистами);

Новый вариант метода опорного ядра.

Специальные способы применяют в сложных гидрогеологических условиях. При наличии плывунных или сильно обводненных грунтов, поверхностной воды и др. В этих случаях могут применить опускание заранее заготовленных конструкций тоннеля кессонным способом или опускание их под воду. При глубоком заложении тоннелей слабые плывунные грунты могут быть обработаны специальными химическими составами или заморожены.

При сооружении тоннелей под существующими дорогами, а также в городских условиях. Когда недопустимы сдвижки породного массива, применяют способ продавливания отдельных готовых элементов тоннеля. Этим способом обычно сооружают тоннели небольшой длины – до 100…150 м. За счет высокой степени индустриализации при использовании готовых элементов тоннеля достигается сокращение сроков строительства в два - три раза, трудоемкости и стоимости на 15…20 %.

Искусственно созданная полость в толще пород называется выработкой. Тоннельные выработки могут быть полными, соответствующими полному сечению тоннеля и временными. Временные выработки предназначены для последовательного раскрытия тоннельного сечения или сооружаются для специальных целей в качестве разведочных, вспомогательных, транспортных и т.д. Временные выработки еще называются рабочими. Все горные выработки, кроме расположенных в крепких нетрещиноватых породах, закрепляются несущей конструкцией – постоянной обделкой или временной крепью.

Тоннельная выработка делится на две части (рисунок 9.8):

А – верх или калотта и Б – низ или штросса и ограничивается сверху кровлей, снизу – подошвой и с боков - стенами. Торец выработки, в котором разрабатывают породу, носит название забоя.

В свою очередь верх разделяется на:

- малый – А₁ (малая калотта);

- средний – А₂ (средняя калотта);

- большой – А₃ (большая калотта).

Низ разделяют на: - центр - Б₁ (штроцетта);

- бока – Б₂.

Рисунок 9.8 – Элементы тоннельной выработки

Рабочие выработки тоннеля. Штольня – горизонтальная выработка небольшого сечения с временной крепью. Штольни предназначены для развертывания фронта работ. Кроме того, в штольнях прокладываются подземные ходы геодезической основы, вентиляционные трубы, водоотвод и другие коммуникации.Название и предназначение штольни определяется ее местом положения в тоннельной выработке (рисунок 9.9)

1 – нижняя штольня; 2 – верхняя штольня; 3 – центральная штольня; 4 – боковая штольня; 5 – боковая штольня 1-го яруса; 6 – боковая штольня 2‑го яруса; 7 – боковая штольня 3-го яруса; 8 – котлован; 9 – вертикальный ходок, воронка или фурнель, сечением 0,4×0,85 м; 10 – уклон (бремсберг); 11 – воронка ступенчатого профиля; 12 – боковая откаточная штольня, пройденная под углом к оси тоннеля

Рисунок 9.9 – Рабочие выработки тоннеля

Нижняя штольня может быть разведочной, транспортной или дренажной, она же обеспечивает основной выход из тоннеля.

Верхняя штольня предназначена для открытия фронта работ на верхнем горизонте.

Центральная и боковые штольни предназначены для последующего развертывания фронта работ.

Фурнель, уклон и воронка ломаного профиля служат для связи верхней и нижней штолен, для подачи материалов и транспортирования разработанной в верхнем горизонте породы.

Размер штолен (рисунок 9.10) определяется габаритом применяемого транспорта. Обычно высота составляет 1,9…2,2 м, ширина штольни принимается равной ширине транспортного средства, прохода для рабочих 0,7 м с одной стороны и зазора между крепью и транспортом 0,25 м с другой стороны.

Рисунок 9.10 – Размеры штольни

Дата добавления: 2014-12-29