Горные способы работ

Горный способ заключается в разработке всего сечения выработки за один прием или по частям с заменой вынимаемой породы временной крепью с последующим возведением постоянной обделки из монолитного бетона или из железобетонных элементов. Плотный контакт обделки с окружающим массивом грунта обеспечивается нагнетанием за обделку цементного раствора.

Существующие основные способы производства работ по сооружению выработки горным способом могут быть подразделены на три группы:

- к первой группе относят способы, при которых сечение выработки целиком освобождают от породы, используя варианты полностью раскрытого сечения (поточный и кольцевой варианты), сплошного забоя, ступенчатого забоя, центральной штольни, подсводного разреза, нижнего и верхнего уступов, после чего в выработке полного сечения сооружают стены и свод обделки;

- ко второй группе относят способы, когда сначала раскрывают и закрепляют калотту, в которой возводят свод, опираемый непосредственно на породу, применяя варианты проходки двухштольной, одноштольной и с опережающей калоттой);

- в третьей группе способов стены обделки сооружают в штольнях, после чего раскрывают калотту, в которой возводят свод, опираемый на стены (способ опорного ядра).

Способы проходки выработок и средства механизации определяют в зависимости от назначения сооружения, размеров и формы поперечного сечения, инженерно-геологических условий и др. на основании результатов технико-экономического сравнения вариантов.

До начала основных работ по сооружению выработок при необходимости следует производить проходку передовой штольни в пределах всего сечения для обеспечения осушения выработки и отвода самотеком подземных вод, улучшения ее вентиляции, организации транспортной связи между портальными площадками и уточнения инженерно-геологических условий.

Способ сплошного забоя следует применять для проходки выработок высотой до 10 м с монолитной обделкой в скальных грунтах с коэффициентом крепости по Протодьяконову не менее 4. При этом временное крепление выработки при проходке в скальных (невыветрелых) грунтах с коэффициентом крепости от 12 и выше не требуется, а при проходке скальных выветрелых и сильнотрещиноватых грунтов применение временной крепи обязательно.

Уступный способ следует применять для проходки выработок высотой более 10 м, сооружаемых в скальных грунтах с коэффициентом крепости не менее 4 и для проходки выработок высотой менее 10 м в скальных грунтах с коэффициентом крепости от 2 до 4. Проходку выработок следует осуществлять преимущественно с нижним уступом.

Способ опертого свода допускается применять при сооружении выработок или их участков длиной до 300 м в дисперсных грунтах типа твердых глин и суглинков, в сцементированных крупнообломочных и других грунтах, а также в скальных грунтах с коэффициентом крепости от 1 до 4, способных воспринять давление от пят свода обделки с учетом всех нагрузок, действующих на свод. При сооружении выработок в необводненных грунтах способ опертого свода должен применяться преимущественно по одноштольной схеме. Выработки в водонасыщенных грунтах следует сооружать по двухштольной схеме.

Верхняя и нижняя штольни должны соединяться между собой грунтоспусками (фурнелями), а также наклонными стойками (бремсбергами).

При проходке тоннелей способом опертого свода раскрытие калотт надлежит вести отдельными участками (кольцами), длина которых устанавливается в зависимости от инженерно-геологических условий и не должна превышать 6, 5 м.

Способ опорного ядра следует применять при сооружении выработок или их участков длиной до 300 м в неводонасыщенных глинистых грунтах, не способных воспринимать давление от свода обделки. В этом случае стены возводят в штольнях, после чего раскрывают калотту, в которой возводят свод, опираемый на стены.

При сооружении тоннелей сечением более 40 м² допускается предварительная проходка по оси выработки нижней транспортной штольни.

Боковые штольни для возведения стен при проходке выработок следует, по возможности, разрабатывать на всю длину сооружаемого участка выработки.

Разработку грунта в забое в зависимости от инженерно-геологических условий, размеров поперечного сечения и принятого способа проходки производят следующими способами:

- при проходке сплошным забоем - буровзрывным способом с использованием буровой техники и уборкой грунта породопогрузочными машинами или экскаваторами;

- при проходке уступным способом - верхнего уступа буровзрывным способом с использованием самоходных бурильных установок или горнопроходческими комбайнами, а нижнего уступа - буровзрывным способом с использованием самоходных бурильных установок и уборкой грунта экскаваторами или породопогрузочными машинами;

- при проходке выработки по частям (способами опертого свода и опорного ядра) - в калотте и боковых штроссах - отбойными молотками и пневматическими лопатами; в ядре - тоннельными экскаваторами или буровзрывным способом с уборкой грунта малогабаритными породопогрузочными машинами.

В последнее время работы по разработке грунта в забое выработок и вывозе на поверхность земли ведутся современными автоматизированными и механизированными средствами.

Большое применение находят проходческие комбайны с механизированной установкой временных и постоянных крепей.

В настоящее время создаются и внедряются новые более эффективные способы разработки грунта: гидравлический, пневматический, электрофизический, химический и др.

Эти способы могут быть применены самостоятельно или в сочетании с механическими способами.

Выбор средств механизации следует производить из условий обеспечения поточного процесса при наименьших затратах и сроках продолжительности строительства.

Переборы грунта против проектного поперечного сечения выработки в скальных грунтах в случаях разработки выработок буровзрывным способом без применения метода контурного взрывания не должны превышать значений, указанных в табл. 4.1.

В дисперсных грунтах перебор грунта против проектного сечения при разработке выработок механическими средствами не должен превышать 50 мм. В подошве выработки без обратного свода и при разработке лотка под обратный свод в дисперсных грунтах переборы грунта не допускаются.

Таблица 4.1

Способ заполнения пустот, образовавшихся от переборов грунта против проектного сечения, должен устанавливаться проектом производства работ.

Временное крепление выработок при проходке сплошным забоем или уступным способом в скальных грунтах трещиноватых, прочных и средней прочности надлежит выполнять с применением анкерной или набрызг-бетонной крепей или их сочетаний.

Использование арочной крепи в качестве временного крепления допускается при технико-экономическом обосновании. В этих случаях арочную и анкерно-арочную крепь допускается применять в трещиноватых скальных грунтах с коэффициентом крепости до 8, а также в зонах с тектоническими нарушениями.

Набрызг-бетон следует применять в качестве временной крепи при проходке в скальных трещиноватых грунтах, не проявляющих горное давление. При проходке выработок в скальных трещиноватых и выветрелых грунтах, проявляющих горное давление, следует применять набрызг-бетон, армированный металлической сеткой в сочетании с анкерной крепью.

Число слоев набрызг-бетона устанавливается в зависимости от инженерно-геологических условий и принятой проектом толщины набрызг-бетона.

Анкерная крепь должна применяться для временного крепления выработок на период производства работ до возведения постоянной обделки в скальных трещиноватых грунтах с коэффициентом крепости от 4 и выше. При этом применяют железобетонные, полимербетонные или металлические анкеры. Применение анкерной крепи в более слабых грунтах должно быть обосновано натурными исследованиями.

При устройстве анкерной крепи в мерзлых грунтах с использованием железобетонных анкеров должны применяться растворы, в которые введены добавки, ускоряющие схватывание, или производится электропрогрев для обеспечения твердения растворов.

Конструкция анкеров, их число и длина определяются проектом в зависимости от крепости и состояния грунта.

На анкерную крепь должен составляться паспорт с учетом инженерно-геологических особенностей каждого участка по длине выработки.

Допускаемые отклонения фактического положения анкерной крепи от проектного не должны превышать следующих значений: расстояние между анкерами - ±10 %; размер шпура - 5 мм; угол наклона шпура - 10°.

Горные способы работ получили совершенствование в разных странах.

1) В Японии проходку тоннелей в крепких скальных породах выполняют с забуриванием в забое системы щелей. Для этого по контуру тоннельной выработки или непосредственно на поверхности лба забоя устраивают разгружающие щели, которые ослабляют массив и облегчают разработку его взрывным способом.

Данную технологию целесообразно применять в крепких скальных породах, сохраняющих устойчивость опережающих щелей на период осуществления основных горнопроходческих операций, включенных в технологический цикл.

2) В КНР в скальных породах применяют способ центральной штольни. При этом способе горнопроходческие работы выполняют с предварительной проходкой центральной пилот-штольни, из которой забуривают веерные шпуры. Чтобы повысить степень устойчивости забоя и избежать загромождения пилот-штольни взорванной породой, необходимо создавать опережение нижней части забоя, т.е. устраивать своеобразный верхний уступ, что достигается определенной последовательностью взрывания верхних шпуров. Такая технология буровзрывных работ имеет следующие достоинства:

- возможность детального изучения геологических условий ведения работ;

- ускорение буровзрывных работ за счет ведения их на широком фронте пилот-штольни;

- возможность избирательного закрепления грунтов.

Эта технология наряду с ускорением темпов проходки позволяет проводить эвакуацию породы со снижением стоимости горнопроходческих работ.

3) В зарубежной практике с применением горного способа работ построено много подземных сооружений (подземных гаражей и автостоянок, подземных убежищ, хранилищ и др.).

Характерным примером является построенный горным способом подземный гараж тоннельного типа на 1500 автомобилей в г. Зальцбурге (Австрия).

Два тоннеля длиной по 136 м расположены параллельно в скальных породах и соединены между собой сбойками (рис. 4.1). Каждый тоннель сводчатого очертания пролетом 16 м и высотой 15 м рассчитан на 4-ярусное хранение автомобилей. На каждом ярусе высотой 2, 2 м принята двухсторонняя прямоугольная расстановка автомобилей перпендикулярно оси проезда; размеры стояночного места 5´ 2, 3 м, ширина проезда 6 м. По торцам тоннелей устроены спиральные рампы диаметром 18 м для проезда автомобилей с яруса на ярус.

Проходка тоннелей велась преимущественно буровзрывным способом, а частично - тоннелепроходческой машиной с рабочим органом избирательного действия типа «АМ-50» производительностью 40 м³/ч. Обделку тоннелей возводили из набрызг бетона.

5.1.20. Наиболее прогрессивным методом при строительстве подземных сооружений горным способом является новоавстрийский способ проходки тоннелей (НАТМ).

Технология НАТМ крепления выработки заключается в создании специальной торкрет-крепи, удерживаемой стержневой анкерной системой, сооружаемой с максимальным вовлечением в работу вмещающего массива грунта (рис. 4.2).

По этому способу возводят двухслойную обделку замкнутого очертания. Первичная обделка выполняется из набрызг-бетона толщиной 10 - 20 см и усиливается стальными арками или анкерами, а вторичная - из монолитного бетона или набрызг-бетона толщиной 25 - 35 см.

При строительстве тоннелей с применением НАТМ эффективными оказываются ребристые обделки из набрызг-бетона, усиливаемые решетчатыми арками. При этом вместо дорогостоящей прокатной, профильной стали используются армирующие элементы из сварных арматурных каркасов различного поперечного сечения.

Использование НАТМ позволяет:

- увеличить диапазон применения горнопроходческого способа работ в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе в слабых грунтах, в которых затруднительно применение традиционного горного способа производства работ;

- увеличить несущую способность крепи без ее утолщения за счет установки усиливающих элементов (арок, анкеров);

- возводить подземные сооружения практически любой формы и размеров поперечного сечения;

- производить разработку породы как буровзрывным способом, так и механизированными способами с применением экскаваторов и различных тоннелепроходческих машин;

- сочетать проходку со специальными способами упрочнения грунтов осушением, закреплением инъекционными методами, замораживанием и др.;

- обеспечивать снижение стоимости строительства до 10 % по сравнению с другими способами.

Рис.4.1. Схема подземного гаража в г. Зальцбурге (Австрия)

1 - тоннель-стоянка; 2 - въездная рампа; 3 - выездная рампа; 4 - стояночные места; 5 - проезды; 6 - вспомогательные выработки; размеры в метрах

Рис. 4.2. Сравнение конструкций обделок, выполняемых горным и новоавстрийским методами

а) горный способ: 1 - деревянная затяжка; 2 - стальная арка; 3 - рошпаны; (1, 2, 3 - составляют временную крепь, расположенную вне постоянной обделки); 4 - бетонная или железобетонная постоянная обделка; 5 - обратный свод

б) новоавстрийский метод: 6 - несущий породно-анкерный свод; 7 - анкеры; 8 - наружный слой обделки из набрызг-бетона толщиной 5 - 15 см (вместе с анкерами служит временной крепью); 9 - внутренний слой постоянной обделки из набрызг-бетона или бетона толщиной 15 - 35 см

Основным требованием при строительстве подземных сооружений методом НАТМ является проведение мониторинга за поведением грунтового массива, как в проводимой горной выработке, так и на земной поверхности. Сбор, оценка, оптическая и письменная индикация данных наблюдений проводятся с использованием компьютерной техники и с применением высокоточного математического аппарата. Основным условием при проведении мониторинга является немедленное представление результатов измерений руководству стройки и органам технического надзора для принятия неотложных мер.

Способ НАТМ благодаря техническим и экономическим преимуществам в течение последних 10 - 15 лет стал стандартным в области подземного строительства.

Во многих странах западной Европы, Азии и в Америке НАТМ обогащен различными модификациями и применяется практически в любых инженерно-геологических условиях и на любой глубине. Специальные мероприятия по закреплению грунтов создают возможность применять этот метод в слабых водонасыщенных грунтах.

При использовании НАТМ стали применять проходческие комбайны, например, «Паурат Е 242» и податливую тюбинговую крепь с элементами обжатия породы типа «Мейсо».

Ниже приведены примеры использования НАТМ в мировой практике.

1) В Вене и Копенгагене НАТМ построены метрополитены мелкого заложения с предотвращением осадок в густонаселенных районах посредством инъекций укрепляющих растворов во вмещающие породы и с водопонижением до 10 м.

Комбайны избирательного действия фирм «Ноэль», «Альпинист Вестфалия» позволяют при новоавстрийском способе проходить тоннели высотой до 6, 5 м и шириной до 7, 8 м.

2) В США в последние годы технологию НАТМ в значительной степени модифицировали, сохранив основные принципы, но приспособив ее к условиям подземного строительства Северной Америки.

Для модифицированной «Североамериканской технологии» характерно более интенсивное применение для разработки породы тоннелепроходческих машин со стреловым рабочим органом, обладающих достаточно высокой производительностью и не требующих привлечения ручного труда. Кроме того, в США часто устраивают дополнительный дренаж и инъекционное закрепление слабоустойчивых грунтов.

3) Несколько видоизмененную технологию НАТМ используют в Норвегии. В трещиноватых скальных породах ее применяют в сочетании с буровзрывными работами, а в мягких породах - с механизированной разработкой. Главная особенность «Норвежского метода» - крепление выработки дисперсно армированным набрызг-бетоном, наносимым «мокрым» способом, и анкерами.

4) Одним из примеров успешной реализации технологии НАТМ для возведения подземных сооружений является строительство трехъярусной подземной автостоянки на 345 автомобилей в г. Ландесберге (Германия). В связи с тем, что место расположения стоянки окружено памятниками архитектуры и создание наземных объектов практически невозможно, был принят закрытый способ работ.

По данным инженерно-геологических изысканий с поверхности залегает 17-метровый слой плотного гравия и конгломерата, подстилаемый слоем водоупорной глины толщиной 3 - 34 м. Уровень подземных вод располагается на глубине 1 м от поверхности земли.

Стоянка выполнена в виде подземной выработки длиной 180 м, пролетом 18, 9 м и высотой 16, 4 м (рис. 4.3). Строительство автостоянки осуществлено в 6 этапов с разработкой породы экскаватором «обратная лопата» и креплением каждого элемента выработки (площадь поперечного сечения 20 - 40 м²) слоем набрызг-бетона и решетчатыми арками с шагом 0, 8 - 1 м. Набрызг-бетон наносили по «сухой» технологии. Стены основной выработки закрепляли 2-мя слоями набрызг-бетона толщиной 20 см с двумя стальными сетками. Помимо основной выработки сооружены 60-метровый проходной тоннель, 3 лифтовых шахтных ствола глубиной 30 м и аварийно-вентиляционный ствол глубиной 37 м. Строительство автостоянки сопровождалось измерениями деформаций поверхности земли, зданий, сооружений, а также проходимых подземных выработок.

Рис. 4.3. Продольный разрез (а) и поперечный разрез (б) подземной автостоянки в г. Ландесберге (Германия)

1 - стояночные места; 2 - обделка; 3 - проезд; 4 - въезд-выезд; 5 - аварийный выезд; (расстояние в метрах)

5) Горным способом возведен крупнейший подземный спорткомплекс в Норвегии в районе Холмлиа, занимающий территорию 6800 м². Основные выработки сводчатого поперечного сечения, пролетами 15 - 25 м и высотой 8, 5 - 13, 2 м заложены на глубинах 16 - 18 м от поверхности земли.

6) В г. Чикаго построен подземный комплекс для насосной станции сточных и ливневых вод. Подземные выработки сводчатого очертания пролетом 19, 2 м, высотой 29, 3 м и длиной 83, 7 м сооружались буровзрывным способом.