Сооружение тоннелей в скальных породах

Проходку в скальных породах ведут, как правило, буровзрывным способом, при котором выполнение цикла работ соответствует продвижению забоя на глубину заходки.

После взрывания забой оказывается, завален породой, а кровля выработки у забоя - лишенной поддержки и подверженной деформациям под действием развивающихся в ней растягивающих напряжений.

Нарастание деформаций происходит в зависимости от крепости породы и размеров выработки. Быстрее деформации развиваются в менее крепких породах и больших выработках, этими факторами определяется время, в продолжение которого кровля может быть оставлена без поддержки.

а — проходка опорных тоннелей или штолен; б — возведение боковых бетонных стен; в -проходка сводовой части; г — разработка ядра; д — сооружение обратного свода; 1 — опорные тоннели; 2 — сборная обделка опорных тоннелей; 3 — блокоукладчик; 4 — породопогрузочная машина; 5 — тележка для нагнетания раствора за обделку; 6 — вентиляционная труба; 7 — боковые бетонные стены; 8 — пневмобетононагнетатель; 9 — электровоз; 10 — опалубка стен; 11 — ядро; 12 — калоттная часть тоннеля; 13 — обделка свода из сборных железо-бетонных блоков; 14 — укладчик обделки свода; 15 — самоходный вагон-самосвал; 16 — самоходная буровая установка; 17 — самосвальный автопоезд; 18 — тоннельный экскаватор; 19 — обратный «вод

Рисунок 9.42 - Технологическая схема сооружения тоннеля новым вариантом метода опорного ядра со сборно-монолитной обделкой

В весьма крепких породах выработку оставляют без временной крепи до сооружения постоянной обделки.

В крепких скальных породах, устойчивость которых обеспечена в течение продолжительного периода, временную крепь устанавливают после уборки породы во время бурения шурфов на следующую заходку (со специальной тележки или буровой рамы, подтянутой к забою).

В менее крепких скальных породах временную крепь устанавливают после уборки породы перед бурением шпуров в забое.

В породах средней крепости, слабых скальных и полускальных породах длительное оставление кровли без крепления может вызвать значительные ее деформации и выпадение отдельных глыб. При таких породах крепь ставят сразу после проветривания.

При проходке тоннелей в скальных породах применяют только поточную систему организации работ по длине выработки. При этом в зависимости от степени устойчивости и крепости пород забой продвигают вперед всем сечением или расчленяют на части, последовательность взрывания которых определяет способ проходки тоннеля. Обделку бетонируют, как правило, в полностью раскрытой выработке. В зависимости от характеристики горных пород возможны две схемы организации работ, последовательная, когда к устройству обделки приступают после проходки тоннеля или параллельная, при которой проходка и возведение обделки ведутся одновременно, но с некоторым отставанием бетонных работ. Первая схема более предпочтительна в коротких тоннелях. Основной является вторая схема. Из классификации способов постройки тоннелей известно, что в скальных породах применяют способы сплошного забоя, уступного забоя, ступенчатого забоя и передовой штольни.

Способ сплошного забоя целесообразен в крепких породах (f ³4), как правило, разрабатываемых взрывным способом одновременно по всему сечению выработки, при проходке тоннелей в породах с f £6 применяют тоннелепроходческие машины.

В монолитных скальных горных породах проходка осуществляется, как правило, без крепления; в трещиноватых породах применяется временная крепь.

При недостаточной изученности геологических условий, и в силу отсутствия опережающей выработки, для предупреждения неожиданного прорыва воды или обрушения более слабых пород целесообразно бурить входящую в состав вруба опережающую скважину диаметром 75…100 мм на глубину 20…50 м.

Критерием возможности применения этого способа является безусловная устойчивость забоя без использования несущей лобовой крепи. Для обеспечения безопасности работ и предупреждения вывала отдельных кусков породы забой в случае необходимости затягивают стальной сеткой, натянутой на рамки из стержней диаметром 10…12 мм или вертикальными досками. Опорами досок или рамок могут быть стальные раздвижные трубы, расположенные поперек забоя в 3…4 яруса и поддерживаемые стержнями, заведенными в наклонные шпуры.

Цикл разработки породы состоит из бурения шпуров, их заряжения, взрывного рыхления породы, вентиляции, оборки выступающих кусков породы с помощью отбойных молотков, погрузки и откатки взорванной породы, бетонирования обделки (рисунок 9.43).

Необходимое число шпуров " n " на м² забоя ориентировочно определяется по формуле:

,

где f - коэффициент крепости породы.

S- площадь сечения выработки.

а – бетонирование обделки; б – перестановка вагонеток; в – погрузка породы; 1 – породопогрузочная машина; 2 – буровая рама с перестановщиком; 3 – бетононасос; 4 – передвижная опалубка

Рисунок 9.43 – Схема организации работ по сооружению тоннеля при проходке сплошным забоем

В зависимости от крепости породы расход ВВ на м³ породы составляет 0,6…6 кг. Бурение шпуров наиболее эффективно осуществляется специальными самоходными буровыми установками типа СБУ-2; СБУ-4, оснащенными скоростными бурильными машинами.

При бурении шпуров ручными бурильными молотками их устанавливают на буровых рамах или подмостях. Ускорение уборки породы достигается возможностью применения при проходке тоннеля мощных современных высокопроизводительных породопогрузочных машин ПНБ-3К; ПНК-3.

Проходка сплошным забоем позволяет в максимальной степени механизировать и все другие технологические операции. Так для бетонирования обделки можно использовать складную металлическую инвентарную опалубку, перемещаемую специальными тележками с домкратами, устанавливающими опалубку в рабочее положение.

Способ уступного забоя предусматривает расчленение выработки на две части - верхнюю и нижнюю. Разборка породы, в зависимости от напластования слоев, может производиться с опережением, как в верхнем, так и в нижнем уступе. В первую очередь разрабатывают более слабые породы.

При проходке нижним уступом забой верхней части опережает нижний забой на 30…50 м. Ввиду небольшой высоты забоя шпуры калотты бурят с легких подмостей. После взрыва и обрушения породы производят ее уборку из верхнего забоя. В то же время в нижнем забое бурят шпуры. При этом расширяется фронт работ, увеличивается скорость проходки и несколько может быть снижен расход ВВ.

При длине уступа превышающей 40…50 м (рисунок 9.44) обрушенную породу убирают породопогрузочной машиной в вагонетки с подачей их на передвижной мост с бункером.

1 – передвижной помост с бункером; 2 – породопогрузочная машина

Рисунок 9.44 – Проходка выработки нижним уступом

При проходке верхним уступом (рисунок 9.45) сначала разрабатывают нижнюю часть, с некоторым отставанием верхнюю. Эта схема применяется при наличии в нижней части более слабых пород, чем в верхней. Такая схема проходки позволяет взорванную породу верхнего уступа сразу принимать на тележку, что ускоряет удаление породы и доступ к нижнему забою для его обуривания. Обделку обычно бетонируют целиком в удалении от уступа, определяемом удобствами организации работ.

1 – породопогрузочная машина

Рисунок 9.45 – Проходка выработки верхним уступом

Недостатком ступенчатого способа является сложность организации работ по одновременной разработке двух забоев с перестановкой оборудования.

Способ ступенчатого забоя впервые был применен при строительстве двупутного железнодорожного тоннеля в Германии.

Этот способ является, в известной степени, вариантом способа нижнего уступа. Разбивку забоя проводят аналогично способу нижнего уступа. Однако при способе ступенчатого забоя осуществляют не последовательное, а одновременное проведение верхней части тоннеля и уступа. Такая схема, по сравнению со схемой нижнего уступа, позволяет значительно сократить сроки строительства тоннеля и приблизить их к срокам, обеспечиваемым способом сплошного забоя.

Способ заключается в следующем. Сечение тоннеля разбивают на 2-4 ступени (ярусы, уступы) и разработку забоя растягивают по длине, причем подвигание каждой нижерасположенной ступени ведут с отставанием по длине (на 30-80 м) от разработки ступени, расположенной выше (рисунок 9.46). Подвигание ступенчатого забоя вперед осуществляют одновременно на каждой ступени, причем переход от ступени к ступени выполнен в виде наклонного съезда в середине уступа или поочередно сбоку у стены. Съезд выполняют с уклоном 12-14°, позволяющим передвигаться по нему самоходному оборудованию на пневмоколесном или гусеничном ходу, а также порожнему автотранспорту при подъеме вверх. Через каждые 100-200 м съезды срабатывают и делают заново. На каждой ступени разработку забоя ведут сплошным сечением. Взрывы на всех ступенях производят одновременно, скважины в уступах бурят вертикальные или горизонтальные. Породу с каждой ступени вывозят по тоннелю на поверхность или сбрасывают у нижнего уступа, где работает наиболее мощный экскаватор.

а, б, в - виды поперечных сечений выработок; г - продольный разрез выработки, 1 - комбайн со стреловидным рабочим органом; 11 - бульдозер; 111 - экскаватор с обратной лопатой; IV - автосамосвал; V - опалубка; VI - перестановщик опалубки; 1 -8 - последовательность разработки сечения забоя

Рисунок 9.46 - Схема производства работ способом ступенчатого забоя

В отличие от способа сплошного забоя в данном случае плоскость забоя растянута подлине и имеет не вертикальную, а ступенчатую форму. Достоинства способа нижнего уступа сохраняются, а главный недостаток - удлинение сроков строительства - устраняется. Темп проходки составляет 7…10,5 метров в сутки.

Способ передовой (центральной) штольни предусматривает проходку штольни по оси тоннеля на всю длину или со значительным опережением (рисунок 9.47). Этот способ применим в крепких породах (с коэффициентом крепости f ³8…10), не требующих временной крепи.

Центральная штольня дает возможность разведать состояние породы, наличие карстовых пустот, источников воды и других препятствий на трассе тоннеля. Кроме того, из центральной штольни ведется обуривание тоннельной выработки радиальными шпурами. Шпуры располагают перпендикулярно оси тоннеля и бурят с помощью перфораторов, опирающихся на установленную в штольне горизонтальную трубу. Взрывание породы дисками толщиной 60…100 см, перпендикулярными оси выработки, обеспечивает расширение сечения со значительной экономией ВВ вследствие наличия двух плоскостей обнажения. Для предотвращения завала штольни взрывание шпуров ведут с опережением нижней части забоя (нависающим уступом). Уборку породы производят тоннельными экскаваторами или породопогрузочными машинами с погрузкой в автосамосвалы или большегрузные вагонетки.

1 – радиальные шпуры; 2 – горизонтальная труба; 3 – перфоратор; 4 –передовая (центральная) штольня

Рисунок 9.47 – Проходка выработки способом передовой штольни

Возможность бурения шпуров без перерыва на уборку породы в основном забое является главным преимуществом этого способа. Недостатком является неудобство бурения длинных веерообразных шпуров, а также зависимость проходки штольни от работ в основном забое. Последний недостаток может быть устранен, если для вывозки породы из центральной штольни параллельно к ней будет сооружена дополнительная транспортная штольня (рисунок 9.48), или же породу основного забоя разрабатывать только после того, как будет пройдена центральная штольня. В последнем случае способ центральной штольни позволит добиться высоких темпов проходки тоннеля за счет создания поточной организации работ и комплексной механизации всего производственного процесса.

Способ центральной штольни до недавнего времени считался неприемлемым в породах, требующих временного крепления. Внедрение анкерной крепи в тоннелестроение заставило пересмотреть эту точку зрения и позволило расширить границы применения способа центральной штольни.

Рисунок 9.48 – Схема расположения основной и транспортной штолен

Дата добавления: 2014-12-29