Способ раскрытия выработки на полное сечение по частям

Сооружение тоннелей в слабых, мягких и полускальных породах. Раскрытие выработки по частям. Способы: опертого свода и его разновидности; полностью раскрытого профиля; способ ядра с податливой оболочкой. Крепление элементов раскрытия – малой, средней и большой калотты и штроссы.

В полускальных и мягких породах для сооружения тоннелей применяют преимущественно способ опертого свода, реже — способ полностью раскрытого сечения, в слабых породах — способ опорного ядра. Закрепляют выработки обычно с помощью деревянной веерной крепи, получившей свое название по расположению стоек (штендеров), поддерживающих кровлю и лежащих в одной плоскости, в направлении от середины к контуру сечения.

Способ раскрытия выработки на полное сечение по частям

Этот способ предусматривает разработку грунта и установку временного крепления по отдельным частям сечения при движении сверху вниз, что обеспечивает в конце разработки раскрытие выработки полностью на все сечение тоннеля в пределах одного кольца шириной 2-4 м в зависимости от геологических условий. После разработки грунта приступают к возведению обделки из монолитного бетона или из сборных элементов, двигаясь снизу вверх.

Существует несколько вариантов производства работ по этому способу: раскрытие на полное сечение (полный профиль) с применением веерного крепления (так называемый австрийский способ), раскрытие на полное сечение по частям с креплением прогонами и торцовыми фермами (английский способ), способ подсводного разреза и др.

Преимущество этих способов состоит в том, что представляется возможность осуществлять возведение обделки без перерывов (что повышает ее качество), а также использовать сборную обделку. Применяются эти способы в основном в устойчивых необводненных грунтах, глинах, сланцах, мергелях в тех случаях, когда нет большого давления на крепь. Однако способ раскрытия на полное сечение с использованием веерного крепления отличается наибольшей трудоемкостью, большим расходом лесоматериалов, сложностью устройства крепления. Возникающие в процессе строительства работы по перекреплению выработок могут привести (при наличии горного давления на крепь) к деформации торного массива и поверхности. Поэтому этот способ при строительстве метрополитенов не применяют.

Раскрытие на полное сечение по частям с креплением прогонами и торцовыми фермами применяют при сооружении первых (прорезных) колец сборной обделки камер для монтажа щита или тюбингоукладчика, а также при сооружении других камер и участков тоннелей небольшой протяженности, главным образом со сборной обделкой.

ОПЁРТОГО СВОДА СПОСОБ— поэтапное сооружение горной выработки (без раскрытия её сразу на всё сечение), начинаемое с проходки верхней части профиля выработки и возведения свода её постоянной конструкции, опираемого пятами на породу. Применяют в породах, способных воспринять давление в пятах возводимого свода до подведения под него стен, но по условиям безопасности или из технологических соображений, не допускающих раскрытия выработки на всё сечение. Опертого свода способ (также называется бельгийским способом проведения горных выработок) впервые использован в Бельгии в 1828 и в дальнейшем получил распространение при строительстве транспортных тоннелей, метрополитенов и других крупных подземных сооружений.

Различают две классические схемы опертого свода способа производства работ: одноштольневую и двухштольневую (рис. 1, а, б).

Одноштольневая схема обычно применяется при строительстве тоннелей небольшой длины (до 500 м) в необводнённых грунтах. По этой схеме первоначально проходят верхнюю штольню на всю длину тоннеля или на его части длиной 20-30 м с тем, чтобы начать работы по верхнему расширению (устройству калотты) одновременно в нескольких участках (кольцах). Количество таких участков принимают в зависимости от заданного темпа работ; длина каждого 6, 5 м. Все работы по возведению свода обделки ведутся только со стороны верхней штольни, являющейся основной транспортной выработкой. Высоту верхней штольни задают с таким расчётом, чтобы после постановки кружал (для возведения свода) расстояние от их низа до подошвы штольни составляло не менее 1, 7 м. Ширина штольни в свету обычно 1, 8-2 м.

В разработанных верхних участках (калоттах) возводят бетонный свод, опирая его пятами на породу. После того как бетон наберёт достаточную прочность, производят дальнейшую разработку тоннельного профиля: сначала ядра, а затем боковых частей (боковых штросс), разбивая их на участки в шахматном порядке (рис. 2).

После сооружения стен дорабатывают нижнюю часть профиля и возводят обратный свод.

При двухштольневой схеме (рис. 1, б) сначала проходят нижнюю штольню на всю длину тоннеля, а затем приступают к проходке верхней штольни. Наличие нижней штольни позволяет улучшить условия вентиляции выработок, облегчить работу подземного транспорта за счёт разделения грузопотоков, создать лучшие условия для постепенной разработки дополнительных участков по расширению тоннельного профиля, осушить верхние пласты пород, обеспечить более тщательную разведку горного массива и при необходимости своевременно внести изменения в рабочий проект.

Расширение верхней части тоннельного профиля осуществляют со стороны верхней штольни. Породу спускают в нижнюю штольню через сквозные воронки (фурнели), пробиваемые с интервалом 6, 5-13 м по мере продвижения забоя. Высота нижней штольни принимается 2-2, 25 м, ширина в свету 2-2, 5 м. Закрепляют выработки деревянной или металлической арочной крепью. Разработка верхнего расширения тоннельного профиля ведётся через 1-2 кольца (с оставлением целика длиной 6-12 м) во избежание интенсивного развития горного давления и в целях соблюдения безопасности при производствебуровзрывных работ. Выемка породы под стены обделки ведётся отдельными столбами шириной 2-3 м в шахматном порядке. Первые участки боковых целиков разрабатывают под швами колец свода, располагая вертикальную ось участка по шву в своде. Во время разработки бокового участка пяты свода подкрепляются подкосами (рис. 3).

Сразу же после образования выработки укладывают бетон, доводя его вплотную к пяте свода. Боковые участки целиков, расположенные с противоположной стороны или рядом с готовыми участками стен, разрабатывают после того, как бетон на этих участках стен наберёт достаточную прочность. Обратный свод обделки устраивают после возведения стен. Если имеется боковое горное давление, то перед началом выемки породы в подошве тоннеля стены раскрепляют поперечными брёвнами или стальными балками. Разработка породы ведётся поперечными полосами шириной 2 м с последующей укладкой бетона по лекалу.

С внедрением в практику строительства высокопроизводительных крупногабаритных механизмов и облегчённых типов временной крепи (арочной, анкерной, набрызг-бетонной) шире применяется вариант опертого свода способа с опережающей калоттой, проходку которой ведут сплошным забоем с возведением свода (в зависимости от устойчивости грунтов) на удалении до 50-70 м от забоя либо после проведения калотты на всю длину тоннеля. Разработку штросс и подводку стен под забетонированные своды выполняют в обычном порядке.

Достоинства опертого свода способа: быстрое закрепление постоянной крепью кровли выработки и уменьшение её осадок, безопасность работ под готовым сводом. Основной недостаток — возможность неравномерных осадок, а также деформаций от бокового давления грунта, способных стать причиной появления трещин в бетоне и разрушения свода.

Способ полностью раскрытого сечения. Этот способ применяют в двух вариантах: с поточным или кольцевым развертыванием работ по длине выработки.

В первом случае (рис. 157) раскрытие сечения начинают с рассечки верхней штольни 2, производимой из нижней направляющей штольни 1.

После проходки верхней штольни не менее чем на три кольца каждое длиной < 4 м (и не более чем на 40—50 м) производят раскрытие малой калотты 3, а после продвижения забоя штольни еще на три кольца — большой калотты 4 с соответствующим понижением подошвы выработки (см. рис. 120 и 121). Стойки штольневых рам и ферм малой калотты располагают в разных плоскостях в соответствии со схемой полной крепи выработки, показанной на рис. 159.

Следующей стадией работ является подготовка основания в нижней штольне для опирания крепи полностью раскрытой выработки. Для этого в плоскости ферм малой калотты укладывают лежаки — бревна диаметром до 50 см, отесанные на два канта. Верх лежаков должен совпадать с верхом лежней рам нижней штольни (рис. 158).

После выломки штроцетты 5 (см. рис. 157) устанавливают средние подшвеллерные столбы так, чтобы они составляли продолжение первых стоек штендеров) фермы большой калотты, поддерживающих наиболее нагруженные прогоны. Далее от центра к периферии кольца производят разработку боковых частей штроссы 6 с постановкой подшвеллерных столбов, вторую пару которых ставят вертикально (рис. 159). Введение подшвеллерных столбов в работу достигается забивкой клиньев между их верхними концами (столбы ставят широкой частью кверху) и нижней гранью швеллера большой калотты. При помощи подшвеллерных столбов полностью воспринимается и передается на лежаки нагрузка, действующая на крепь большой калотты.

По мере разработки частей штроссы, примыкающих к контуру выработки устанавливают новые пары прогонов, распираемых при помощи подкосов в подшвеллерные столбы, между которыми забивают горизонтальные распорки, обеспечивающие поперечную передачу бокового давления.

Установку крепи ведут последовательно от середины кольца в обе стороны с постепенной передачей нагрузки на тоннельные фермы полного профиля. Все элементы полученной таким образом полной тоннельной фермы распирают в продольном направлении с помощью распорок, устанавливаемых «в шор» и соединяемых скобами.

Сооружение обделки 7 (см. рис. 157) начинают с подготовки под фундаменты стен и бетонирования последних с оставлением опорных площадок штраб) для примыкания обратного свода 9. Стены бетонируют по лекалам, устанавливаемым через 70—100 см между тоннельными фермами, с постепенным наращиванием дощатой опалубки и удалением подкосов, коротышей и прогонов. По окончании бетонирования стен устанавливают кружала свода.

Деревянные кружала устраивают с сечением в три доски из косяков толщиной 5—7 см, соединенных нагелями с накладками, и опирают на клинья. При установке кружал в замке необходимо обеспечить запас на осадку, равной 0, 5—1% величины пролета (в зависимости от горного давления) и уменьшаемый до нуля у пят свода.

Стальные кружала арочного типа (из прокатных профилей) более целесообразны, чем деревянные. Их достоинствами являются легкость, компактность и экономичность, возрастающая с увеличением длины тоннеля в связи с возможностью многократного использования.

Кружала опираются на продольные брусья, укладываемые по швеллерам большой калотты, и поддерживаются подкружальной крепью. После постановки между кружалами и всеми верхними прогонами надкружальных стоек-коротышей («мальчиков») нагрузка от горного давления передается на кружала и отпадает необходимость в стойках большой калотты, которые снимают по мере бетонирования свода. Последнее ведется радиальными слоями толщиной 20—30 см с постепенной укладкой досок опалубки.

При расстоянии между кружалами до 100 см доски опалубки должны иметь толщину 5—7 см и ширину до 15 см для получения более правильной поверхности обделки. По тем же соображениям доски простругивают со стороны бетона.

По мере бетонирования удаляют коротыши 3 и верхние прогоны 1 (рис. 160). Перед снятием прогона середину опирающихся на него досок поддерживают при помощи поперечины, подпертой вспомогательными коротышами 2. Прогон вытягивают в соседнее кольцо выработки и бетонирование продолжают до ряда вспомогательных коротышей. После снятия последних бетонную смесь укладывают до следующего верхнего прогона, и процесс повторяется. Перерыв в укладке отдельных слоев бетонной смеси при температуре 15—20° С не должен превышать соответственно 3—2 ч, так как каждый последующий слой должен быть уплотнен до начала схватывания ранее уложенного слоя.

Когда бетонная смесь уложена до первой пары прогонов, поддерживающих верхняк, производят замыкание свода (рис. 161). Средние части верхняков бетонируемого кольца подхватывают двумя длинными досками, опирающимися на кружала с помощью коротышей. После снятия одного из прогонов бетонную смесь укладывают до линии коротышей, затем то же самое делают с другой стороны. Последним этапом является снятие поддерживающих досок и коротышей. Дальнейшее бетонирование ведут в продольном направлении с последовательной установкой досок опалубки и между смежными кружалами. Свод раскружаливают в сроки, установленные нормами, путем симметричного выбивания клиньев из-под стоек, поддерживающих кружала.

Новый вариант метода опорного ядра. Этот метод (рис. 121) применяют в грунтах с коэффициентом крепости от 1 до 4. Технология работ состоит в следующем. В начале по обеим сторонам будущего тоннеля проходят опорные выработки круглого или подковообразного поперечного сечения, причем проходку ведут с опережением одной выработки по отношению к другой. После проведения опорных выработок в них бетонируют стены будущего тоннеля. Затем проходят калоттный профиль с одновременным возведением свода тоннеля из сборных или монолитных железобетонных конструкций с опережением их на длину возведенных стен. На последней стадии разрабатывают ядро и бетонируют обратный свод.

Весь комплекс работ выполняют с применением высокопроизводительного оборудования: щитов, укладчиков, породопогрузочных машин, экскаваторов, механизированной опалубки, бетононасосов и автомобильного транспорта. По такой технологии сооружают односводчатые станции.

Проходка (сооружение) тоннелей в скальных породах. Конструкции контурных временных крепей – деревянная полигональная, металлическая арочная, анкерная, набрызг-бетонная. Раскрытие выработок на полный профиль или крупными элементами. Способы сплошного забоя, ступенчатого забоя, верхнего или нижнего уступа, подсводного разреза и центральной штольни.

Крепь — искусственное сооружение, возводимое для предотвращения возможности обрушения окружающих горных пород в горных выработках, а также при строительстве шахт, тоннелей и метрополитенов и др. подземных объектов. Конструкция крепи зависит от площади и формы поперечного сечения горной выработки, величины и характера горного давления, срока службы и других факторов.