Главная Минимаркер Мосты и тоннели Минимаркер Строительство тоннелей и метрополитенов Минимаркер Элементы горной выработки

Элементы горной выработки

Страница 1 из 16
Содержание лекции:
Технология строительства тоннелей горным способом

В настоящее время строительство тоннелей выполняется различными способами – горным, щитовым, открытым и специальным. Наиболее старый способ – горный. Тем не менее, он до сих пор широко применяется при строительстве подземных сооружений, так как является универсальным. Знакомство с горным способом лучше всего начать с элементов подземных сооружений, характерных для горных работ.

Выработкой называется полость в земной коре, образуемая в результате осуществления горных работ с целью разведки и добычи полезных ископаемых, проведения инженерно-геологических изысканий и строительства подземных сооружений (тоннелей). По положению в пространстве выработки подразделяются на горизонтальные, наклонные и вертикальные. При проходке горизонтальной или наклонной выработки ее верхняя сводовая часть называется калоттой (1) (рис. 1.1, а), а нижняя – штроссой (2). Вспомогательная выработка, облегчающая производство работ по сооружению тоннеля, называется штольней (3). Вертикальная горная выработка (рис. 1.1, б), имеющая выход на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ, носит название ствола шахты (8). Торец выработки, в котором осуществляется разработка грунта, называется забоем (5).

Горизонтальная (а) и вертикальная (б) горные выработки

Рис. 1.1 – Горизонтальная (а) и вертикальная (б) горные выработки: 1 – калотта; 2 – штросса; 3 – штольня; 4 – кровля выработки; 5 – забой; 6– подошва выработки; 7 – устье ствола; 8– ствол шахты; 9 – околоствольная выработка; 10 – подходная штольня; 11 – водосборник (зумпф); а3 – глубина заходки

До сооружения выработки горный массив находится в состоянии естественного равновесия под влиянием веса вышележащих слоев грунта. После проведения выработки это равновесие под воздействием горного давления нарушается, прилегающие к контуру выработки грунты начинают деформироваться и если предел прочности грунта окажется меньше, чем величина горного давления, то произойдет обрушение грунта. Для предотвращения обрушения (вывалов) грунта устраивается система временной крепи, назначением которой является поддержание выработки в безопасном состоянии до сооружения постоянной крепи – обделки. В связи с этим крепь должна обладать достаточной несущей способностью и жесткостью. Устанавливать ее следует как можно быстрее после разработки грунта, обеспечивая плотный контакт крепи с грунтом. Поэтому основное правило временной крепи требует ставить ее быстрей и надежней.

Конструкция временной крепи зависит от конкретных инженерно-геологических условий. В качестве основного материала временной крепи штольни применяется дерево. Деревянная крепь обладает способностью легко обрабатываться на месте установки, небольшой массой, хорошей деформативной и несущей способностью, а также возможностью легкой взаимозаменяемости и усиления конструкции.

Недостатками деревянных крепей являются их громоздкость, появление значительных осадок и смещений грунта, окружающего выработку, а также малая огнестойкость и подверженность гниению. Для элементов деревянной крепи у нас используется круглый лес диаметром от 18 до 30 см (сосна, ель, дуб, бук и др.), а в качестве затяжки – доски.

Металлическая крепь в наибольшей степени отвечает требованиям индустриализации и стандартизации строительства. Элементы металлической крепи выполняются из профильной стали (двутавры, швеллеры и др.), а также из использованных железнодорожных рельсов. Такая крепь огнестойка, имеет большую оборачиваемость, обладает высокой несущей способностью и дли тельным сроком эксплуатации без ремонта. Недостаток – использование дорогостоящего материала (сталь) и подверженность его коррозии.

Более экономичным является использование железобетонной сборной крепи, особенно при длительных сроках эксплуатации и в сложных инженерно-геологических условиях.

Как правило, проходка тоннеля начинается с разработки предпортальной выемки и крепления лобового откоса (врезки), затем проходится опережающая выработка, после чего переходят к раскрытию полного сечения. Порядок разработки тоннеля устанавливается проектом производства работ.

Глубина предпортальной выемки определяется на основании экономических расчетов с учетом инженерно-геологических условий. По данным практики обычно эта величина составляет для слабых грунтов с коэффициентом крепости 0,5÷3 10–15 м и для полускальных и скальных грунтов с f > 3–15–25 м. Врезка во избежание вывалов, сползания грунта и обеспечения устойчивости откосов предпортальной вы емки должна быть закреплена системой деревянного крепления (рис. 1.2), которое заключается в укладке по лобовому откосу горизонтальных бревен (6) и прогонов (3), связанных наклонными балками (рамами) (4) и подпертых подкосами (2), опирающимися на лежни (7), закрепленные сваями-коротышами (1).

Крепление врезки штолен системой деревянного крепления

Рис. 1.2 – Крепление врезки штолен системой деревянного крепления

В грунтах слабой устойчивости (пески, дресва, щебень, сильно трещиноватая скала) для устройства врезки и поддержания откосов предпортальных выемок могут применяться опережающие защитные своды (экраны) из труб (рис. 1.3).

Схема устройства врезки в грунтах слабой устойчивости с помощью защитного экрана из труб

Рис. 1.3 – Схема устройства врезки в грунтах слабой устойчивости с помощью защитного экрана из труб: 1 – самоходные подмости; 2 – буровой станок; 3 – набрызгбетонное покрытие по металлической сетке; 4 – анкеры; 5 – трубы опережающего свода

В скальных крепких грунтах крепление врезки не производится, но устраиваются специальные козырьки (5) (см. рис. 1.2) для предотвращения осыпей или падения отдельных камней.

Защита откосов выемок в скальных и полускальных грунтах от выветривания и разрушения осуществляется путем создания торкретных, набрызгбетонных или аэрированных покрытий. В случае если толщина разрушенного (выветрившегося) слоя более 0,1 м, защитные покрытия необходимо армировать металлической сеткой, прикрепляемой в грунт с помощью металлических стержней-анкеров (рис. 1.4).

Схема укрепления откосов выемки набрызгбетоном и металлической сеткой с анкерами

Рис. 1.4 – Схема укрепления откосов выемки набрызгбетоном и металлической сеткой с анкерами: 1 – анкеры; 2 – глина; 3 – металлическая сетка; 4 – слой набрызгбетона

В случае сильной трещиноватости грунтового массива рекомендуется нагнетать в грунт различные закрепляющие растворы. Так, цементные растворы применяют при ширине трещин не менее 0,15–0,10 мм (удельное водопоглощение более 0,01 л/мин м2), а химические (эпоксидные, фурфуроловые, полиэфирные и другие смолы) – при ширине трещин менее 0,10 мм.

Для укрепления откосов выемки, сооружаемой в подсеченных пластах грунта (2) (рис. 1.5), имеющих падение в сторону пути, а также предотвращения сползания (обвалов) рыхлых грунтов применяются подпорные стены (1) различной конструкции из бута на цементном растворе, бутобетона, бетона, железо бетона и иногда из сборных железобетонных элементов.

Подпорная стена из бутобетона

Рис. 1.5 – Подпорная стена из бутобетона

После закрепления лобового откоса до начала основных работ начинают проходку опережающей выработки (в случае если длина тоннеля превышает 300 м), которая используется для уточнения инженерно-геологических и гидрогеологических данных, осушения основной выработки и устройства дренажа, размещения откаточных путей, улучшения вентиляции, прокладки ходов подземной геодезической основы и раскрытия дополнительных забоев для расширения фронта работ.

Раскрытие фронта работ по проходке может быть произведено непосредственно из предпортальной выемки I (рис. 1.6), из ствола шахты III, расположенной по трассе тоннеля, или через штольни-окна II, сооружаемые в поперечном к оси тоннеля направлении.

Схема раскрытия фронта работ

Рис. 1.6 – Схема раскрытия фронта работ

Для ускорения сбойки опережающих выработок и сооружения тоннеля в заданные сроки стараются увеличить число забоев, в которых ведется одновременная проходка.

В качестве опережающей выработки обычно используют направляющую штольню (верхнюю или нижнюю). Применение верхней направляющей штольни целесообразно в однородных скальных грунтах при длине сооружаемого тоннеля до 300 м.

Обычно опережение направляющей штольни составляет 100–200 м и только при значительной длине тоннеля (свыше 3000 м) допускается около 300–500 м. Большее опережение направляющей штольни затрудняет транспортировку грунта, ухудшает условия вентиляции и приводит к значительным смещениям грунта над штольней, что в свою очередь осложнит последующую проходку выработки.

Выбор местоположения направляющей штольни решается с учетом размеров сечения выработки, инженерно-технических условий и заданных темпов строительства. Обычно нижняя направляющая штольня (1) (рис. 1.7) располагается по оси тоннеля так, чтобы при расширении сечения не требовалось устраивать перекладку пути, т.е. нижний уровень штольни совпадает с основанием балластного слоя.

Схема расположения штолен по сечению выработки

Рис. 1.7 – Схема расположения штолен по сечению выработки

При назначении высотного положения верхней штольни (2) необходимо помнить, что верхний элемент ее деревянной крепи – верхняк – не может быть удален перед бетонированием и поэтому должен оставаться за пределами наружного контура обделки тоннеля. Кроме того, надо учитывать возможную осадку окружающего выработку грунта и податливость системы деревянной крепи штольни. Величина запаса на осадку Δ составляет для глинистых грунтов до 30 см и для полускальных – 10–20 см. Учитывая все эти факторы, а также то, что после бетонирования свода должен сохраниться проход высотой не менее 1,8 м, общая высота штольни не должна превышать 3,5 м.

Если по условиям проходки необходимо устройство и нижней, и верхней штолен, то они соединяются между собой с помощью вертикальных грунтоспусков (фурнелей) (3) или наклонных сбоек (бремсбергов), расстояние между которыми назначается соответственно не более 12 и 30 м.

Через фурнели осуществляется рассечка верхней штольни, а также сбрасывание грунта из верхней штольни в нижнюю. Сечение фурнели обычно назначают квадратным, состоящим из двух отделений: грузового (размером 0,7×0,7 м) и людского (размером 1,0×0,7 м). Проходка фурнели при пройденной верх ней выработке (штольне) производится сверху вниз сразу на полное сечение. Скальные грунты разрабатываются буровзрывным способом, а крепление фурнели в этом случае осуществляется вертикальными досками с креплением их легкими рамами. В слабых грунтах проходка ведется отбойными молотками с постановкой ящичной дощатой крепи или забивкой крепи с установкой рам из бревен не менее чем через 1,0 м. Работы по рассечке верхней штольни начинаются с устройства предохранительного полка (3) (рис. 1.8) над откаточными путями, который рассчитывается на массу падающего грунта. При этом в нижней штольне со стороны людского отделения устраивается уширение шириной не менее 0,7 м для безопасного прохода людей. Сначала снизу вверх проходится вертикальный ходок (1) для сбрасывания грунта. После проходки ходка делают расширение его верхней части для возможности постановки двух рам (2), образующих крепление верхней штольни. Разработка людского отделения (4) ходка ведется в направлении сверху вниз, сбрасывая грунт через уже пройденную часть ходка (5).

Схема рассечки верхней штольни

Рис. 1.8 – Схема рассечки верхней штольни

При этом во время движения транспорта по нижней штольне под фурнелью работы в фурнели должны быть прекращены. Для оповещения рабочих все действующие фурнели оборудуются звуковой и световой сигнализацией. Людское отделение отделяется от грузового сплошной перегородкой и имеет лестницу с перилами. Оба отделения фурнели обязательно должны быть закрыты откидными крышками (лядами) на уровне подошвы верхней штольни, а грунтоспуски снабжены затворами. Для подачи из нижней штольни в верхнюю длинномерных материалов (брусья, доски, рельсы, вентиляционные трубы и т. д.) устраиваются бремсберги, которые представляют собой штольни, располагаемые под углом 30° к горизонтальной оси. По сечению бремсберги также делятся на две части – материальную (2) (рис. 1.9) и людскую (1) и крепятся замкнутыми рамами (полный дверной оклад). Высота бремсберга должна быть не менее 1,8 м, а ширина людского отделения – не менее 0,7 м с лестницей, снабженной перилами.

Наклонная сбойка (бремсберг)

Рис. 1.9 – Наклонная сбойка (бремсберг)

В достаточно устойчивых грунтах может быть применена уступчатая сбойка (русский бремсберг), которая закрепляется деревянной крепью в виде сруба (рис. 1.10). Продольные размеры такого ходка назначаются из условия пропуска наиболее длинного элемента крепи.

Уступчатая сбойка (русский бремсберг)

Рис. 1.10 – Уступчатая сбойка (русский бремсберг)

Поперечное сечение штольни устраивается либо прямоугольного очертания (в скальных грунтах) или в виде трапеции (в слабых грунтах). Штольни трапецеидального сечения (верх обычно на 0,5–0,7 м меньше основания) обладают большой устойчивостью при проявлении бокового давления и с точки зрения размещения различных коммуникаций (трубопроводы, кабели и т. д.) такое сечение более удобно.

Внутренние размеры штольни определяются в зависимости от ее назначения и должны назначаться минимально допустимыми исходя из того, что стоимость разработки грунта штольни превышает стоимость разработки остальных частей выработки. По своему назначению штольни подразделяются на подходные, транспортные, направляющие, дренажные, вентиляционные.

Размер транспортных штолен определяется числом путей и видом используемых транспортных средств (вагонетки, автомобили и др.). В случае размещения одного пути (рис. 1.11,а) ширина штольни на уровне верха вагонетки определяется следующим выражением:

B1 = b+C1+C2,

где b – ширина вагонетки; С1 – зазор между крепежной рамой и вагонеткой (C1 = 0,2÷0,3 м); С2 – зазор, учитывающий проход людей при движении транспорта (С2 = 0,7 м).

Размеры транспортных штолен

Рис. 1.11 – Размеры транспортных штолен

Ширина двухпутной штольни (рис. 1.11, б) принимается такой, чтобы между вагонетками был зазор не мене 0,20 м:

B2 = 2b+C1+C2,

Высота транспортных штолен должна быть не менее 2,5 м от уровня головки рельсов (УГР).


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика