Главная Минимаркер Мосты и тоннели Минимаркер Строительство тоннелей и метрополитенов Минимаркер Способы проходки тоннелей в устойчивых грунтах

Способы проходки тоннелей в устойчивых грунтах

Страница 9 из 16
Содержание лекции:
Технология строительства тоннелей горным способом

В зависимости от инженерно-геологических условий, а также от поперечного сечения сооружение тоннелей в устойчивых скальных грунтах может производиться одним из следующих способов: сплошного и ступенчатого забоев, уступным, центральной штольни.

Проходка тоннелей способами сплошного и ступенчатого забоев широко применяется при сооружении тоннелей высотой до 10 м и пролетом до 20 м в ненарушенных скальных грунтах с коэффициентом крепости f ≥ 2. Ограничение размеров тоннелей связано с опасностью раскрытия в один прием большого незакрепленного пространства и использованием бурового и вспомогательного оборудования. Площадь поперечного сечения тоннелей, разрабатываемая сплошным забоем, достигает 110–130 м2, а в благоприятных инженерно-геологических условиях – до 160 м2.

В скальных монолитных грунтах проходка ведется буровзрывным способом, как правило, без постановки временной крепи. В скальных трещиноватых грунтах применяют анкерную, арочную или набрызгбетонную крепь или их сочетание. Применение вида временной крепи определяется на основании технико-экономического обоснования.

Проходку тоннелей в мерзлых грунтах следует производить с установкой временной крепи, тип которой определяется проектом. Проходка без временной крепи допускается в виде исключения в мерзлых грунтах, устойчивость которых не снижается при их оттаивании.

Способ сплошного забоя

Сущность этого способа (рис. 1.60) заключается в том, что сечение тоннеля разрабатывается целиком за один прием на величину заходки lз, а затем уже на достаточно большом расстоянии от забоя возводят обделку (2). Бурение шпуров (1) производится с буровой рамы (5). Взорванный грунт убирается погрузочной машиной (4) в вагонетки (3) большой емкости или в автосамосвалы. Обязательной принадлежностью буровой рамы должен быть стальной козырек, гарантирующий безопасность работы бурильщиков.

Схема проходки тоннеля способом сплошного забоя

Рис. 1.60 – Схема проходки тоннеля способом сплошного забоя

Забой можно обуривать также самоходными бурильными установками.

В зависимости от сечения выработки разработаны следующие комплекты оборудования для проведения тоннелей сплошным забоем (таблица 1.8).

Таблица 1.8

25032014_t1

В тоннелях площадью поперечного сечения более 30 м2 для подгребания грунта применяют бульдозер типа Д-492.

На строительстве транспортных тоннелей для бурения шпуров наибольшее распространение получили самоходные отечественные установки на гусеничном ходу СБУ-2к, СБУ-2м и на рельсовом ходу БУР-2 и БКГ-2, а также портальные буровые агрегаты типа ПБА.

Для проходки железнодорожных тоннелей наиболее удобны агрегаты типа ПБА-2, так как в этом случае обеспечивается непрерывное движение транспорта.

Достоинство способа проходки тоннеля сплошным забоем – возможность применения высокопроизводительного оборудования, в результате чего достигаются высокие скорости проходки и сокращается относительное время выполнения вспомогательных работ.

Недостатки способа – необходимость проведения предварительных геологоразведочных работ по трассе тоннеля и повышенный расход ВВ ввиду одной обнаженной поверхности забоя.

Проходка способом сплошного забоя производится при сооружении тоннелей длиной не менее 300 м. Большинство железнодорожных, автодорожных и гидротехнических тоннелей сечением до 90 м2 в крепких грунтах проходят таким способом. На основе принятой схемы организации и комплексной механизации работ составляется циклограмма (графическое изображение последовательности выполнения процессов проходки) на проходку тоннеля (рис. 1.61). При составлении циклограммы необходимо обеспечить такую организацию работ, чтобы продолжительность цикла была кратна продолжительности рабочей смены. Это обеспечивает ритмичность в рабочем процессе и позволяет лучше организовать учет проделанной работы по сменам.

Циклограмма проходки однопутного железнодорожного тоннеля сплошным забоем

Рис. 1.61 – Циклограмма проходки однопутного железнодорожного тоннеля сплошным забоем

В обводненных сильнотрещиноватых малоустойчивых грунтах с коэффициентом крепости f от 2 до 5 можно вести проходку тоннеля способом сплошного забоя с предварительным устройством защитного опережающего свода (экрана) из стальных труб (1) (рис. 1,62), которые располагаются вдоль оси тоннеля в пробуренных скважинах, устраиваемых над сводом, а при необходимости и по контуру стен выработки.

Схема проходки зоны нарушенных грунтов с защитным сводом из труб

Рис. 1.62 – Схема проходки зоны нарушенных грунтов с защитным сводом из труб

Такая же схема организации работ принимается для преодоления участков тоннеля в нарушенных грунтах (зоны разлома) длиной до 30 м.

В этом случае до начала проходки участка тоннеля в нарушенных грунтах перед ним устраивается в крепкой скале специальная камера для размещения рамы (2) с оборудованием (3) для бурения скважин, установки в них труб (1) и нагнетания раствора. Трубы располагаются за наружным контуром обделки тоннеля таким образом, чтобы создать защитный экран, перекрывающий сразу всю длину нарушенного участка с одной установки бурового оборудования.

При преодолении зоны нарушенных грунтов длиной свыше 30 м производится наклонное бурение скважин из тоннеля под утлом до 4° относительно продольной оси тоннеля посекционно (т. е. с нескольких установок). При этом концы пробуренных труб свода должны перекрывать следующую секцию на расстояние lо от 1 до 4 м. В зависимости от конкретных инженерно-геологических условий и соответственно величины горного давления применяют различные конструкции опережающих защитных сводов из труб.

Обычно опережающие своды выполняются из металлических труб, которые вставляются в заранее пробуренные скважины.

Трубы свода следует выполнять перфорированными для того, чтобы после нагнетания в них цементно-песчаного раствора можно было обеспечить плотный контакт с окружающим грунтом и создать сплошной защитный экран.

Для повышения устойчивости грунтового массива вместо цементно-песчаного раствора в перфорированные трубы можно производить нагнетание различными химическими составами, способствующими закреплению окружающего грунта. При проходке тоннеля по мере продвижения забоя выработки трубы свода необходимо поддерживать металлическими арками (4) (см. рис. 1.62) с затяжкой или арочно-бетонной крепью, под защитой которой производится в дальнейшем возведение тоннельной обделки. При проходке тоннеля с опережающим сводом из труб лоб забоя при необходимости следует крепить набрызгбетоном толщиной 3–8 см.

Кроме того, в практике тоннелестроения в качестве опережающей крепи в слабоустойчивых полускальных грунтах используют анкеры, которые вставляются в заранее пробуренные слабонаклонные (5–6° относительно продольной оси тоннеля) шпуры до начала разработки грунта. Длина таких анкеров обычно составляет от 3,5–4,0 до 8–10 м.

Грунт в этом случае разрабатывается заходками на 0,4–0,6 м меньшими длины анкеров, чем достигается поддержание кровли выработки сразу же после ее обнажения. Опережающие анкеры опираются на металлические арки, которые устанавливаются в тоннеле вплотную к забою на расстоянии друг от друга от 0,5 до 1,5 м.

Представляет практический интерес опережающая бетонная крепь, которая с успехом применялась при строительстве тоннелей во Франции, ФРГ и. Японии. Сущность ее применения состоит в том, что по контуру выработки (механическим, гидравлическим или плазменным способом) прорезается щель под углом 5–6° к оси тоннеля глубиной до 3 м и толщиной до 20 см, которая заполняется быстросхватывающейся бетонной смесью (вводятся специальные ускорители схватывания). В результате через 5–8 ч образуется надежный бетонный свод (2) (рис. 1.63), под защитой которого ведется разработка грунта. В этом случае бетонная крепь входит в состав постоянной конструкции (обделки) тоннеля. При необходимости такая опережающая бетонная крепь может быть усилена металлическими арками (1).

Схема проходки выработки с опережающей бетонной крепью

Рис. 1.63 – Схема проходки выработки с опережающей бетонной крепью

При способах проходки с опережающей крепью сводятся к минимуму переборы грунта, обеспечиваются незначительные осадки грунтового массива и, самое главное, появляется возможность создания надежной системы крепи выработки, позволяющей использовать способ сплошного забоя в самых сложных инженерно-геологических условиях.

Скоростная проходка Северо-Муйского тоннеля на БАМе способом сплошного забоя проходила на участке устойчивых слаботрещиноватых грунтов с коэффициентом крепости f ≥ 6. Бурение шпуров производили с буровой рамы пятью бурильными машинами. На верхней площадке рамы был установлен дополнительный манипулятор, что сократило время на бурение шпуров под анкеры. Каждый бурильщик обуривал только закрепленную .за ним группу шпуров. Заряжание шпуров производили четыре взрывника и проходчики, имеющие Единую книжку взрывника. Это позволило сократить время зарядки забоя до 2 ч. Взорванный грунт грузили в автосамосвалы МоАЗ-64011 породопогрузочной машиной ПНБ-3д и транспортировали на пункт перегрузки, отстоявший от забоя на 200–250 м. В работе было задействовано два автосамосвала. Подборка взорванного грунта производилась бульдозером. С пункта перегрузки грунт транспортировали на портал рельсовым транспортом – вагонами марки ВПК и электровозами.

В результате применения описанной технологии была достигнута высокая скорость сооружения однопутного железнодорожного тоннеля буровзрывным способом: за 29 рабочих дней пройдено 171,5 м тоннеля. Максимальная суточная скорость составляла 7,2 м, сменная – 2 м.

Способ ступенчатого забоя

Этот способ заключается в том, что забой по высоте делят площадкой длиной 3–5 м обычно на две части I и II (рис. 1.64). Нижний уступ имеет две обнаженные поверхности, что облегчает работу зарядов взрывчатых веществ в этом уступе, поэтому в верхней части тоннеля производят два взрыва, в то время как в нижнем уступе производят один. Глубину шпуров в нижнем уступе принимают в 2 раза больше, чем глубина шпуров в верхней части тоннеля.

Схема проходки тоннеля способом ступенчатого забоя

Рис. 1.64 – Схема проходки тоннеля способом ступенчатого забоя

При способе ступенчатого забоя применяют легкие разборные буровые подмости (2), с которых устанавливают анкеры (1) и обуривают забой. Способ проходки тоннеля ступенчатым забоем применяют при сооружении выработок небольшой протяженности, когда применять буровую раму экономически невыгодно, а также в случае необходимости быстрого закрепления временной крепью кровли выработки.

Достоинства этого способа: возможность совмещения обуривания верхнего забоя с погрузкой грунта, экономия взрывчатого вещества. Недостатки способа: невозможность использования мощного проходческого оборудования, большая доля ручного труда, что снижает скорость проходки выработки, совмещение проходческих процессов на верхнем и нижнем горизонтах.

Уступный способ

Его следует применять для проходки тоннелей высотой более 10 м, сооружаемых в скальных грунтах с коэффициентом крепости f ≥ 4. Сущность способа состоит в расчленении сечения тоннеля на две части, разработка каждой из которых ведется раздельными забоями на различных горизонтах. Существуют две схемы этого способа: проведение тоннеля с верхним уступом и проведение тоннеля с нижним уступом.

Отличием уступного способа от способа сплошного забоя является меньший объем бурения и меньший расход взрывчатых материалов, а также сложность организации работ по одновременной разработке двух забоев.

Проходка тоннеля по схеме с верхним уступом (рис. 1.65, а) заключается в том, что сначала разрабатывают нижнюю часть сечения тоннеля I, а затем с некоторым отставанием с подмостей ведется разработка верхнего уступа II. Соотношение между площадями сечений нижнего и верхнего уступов при этой схеме

Sн:Sв = 1:1,5.

Нижнюю часть сечения разрабатывают способом сплошного забоя. Бурение шпуров в верхнем уступе производят легкими бурильными машинами с подмостей или с отвала грунта, получающегося в результате разрыхления взрывом верхнего уступа. Эта схема проходки может быть применена при наличии в нижней части профиля тоннеля грунтов меньшей крепости по сравнению с грунтами верхней части тоннеля, а также в крепких скальных грунтах, когда можно не применять временную крепь.

Схемы сооружения тоннеля уступным способом

Рис. 1.65 – Схемы сооружения тоннеля уступным способом

Достоинства схемы: большая эффективность буровзрывных работ в верхнем уступе благодаря наличию двух обнаженных поверхностей, применение несложного оборудования. Недостатки схемы: затруднения при бурении шпуров в верхнем уступе, необходимость оборки кровли при разработке нижнего и верхнего сечения тоннелей, уборка грунта, который загромождает подходы к сечению I. Указанные недостатки ограничивают применение этой схемы.

Проходка тоннеля по схеме с нижним уступом (рис. 1.65, б) состоит в том, что в первую очередь способом сплошного забоя проходят верхнюю часть тоннеля I, а затем разрабатывают его нижнюю часть II. Соотношение между площадями сечений верхнего и нижнего уступов

Sв:Sн = 0,75:1,0

при этом высота верхней разрабатываемой части тоннеля должна быть (исходя из условий размещения проходческого оборудования в ней) не менее 3–4 м. Забой верхнего сечения тоннеля-калотты должен опережать забой нижнего уступа на 30–50 м.

При сооружении коротких тоннелей иногда верхнюю часть тоннеля проходят сразу на всю его длину, а затем разрабатывают нижний уступ. Это позволяет улучшить вентиляцию, облегчить организацию работ по возведению обделки, но приводит к некоторому удлинению срока сооружения тоннеля. При способе нижнего уступа расположение скважин (шпуров) может быть горизонтальным, вертикальным или наклонным. При горизонтальном расположении шпуров (рис. 1.66) шпуры бурят с применением буровой установки, буровой каретки или манипуляторов, смонтированных на погрузочной машине.

Схема проходки тоннеля способом нижнего уступа с горизонтальным расположением шпуров

Рис. 1.66 – Схема проходки тоннеля способом нижнего уступа с горизонтальным расположением шпуров

В скальных трещиноватых грунтах прочных и средней крепости после взрывания, проветривания и оборки забоя I в калотте устанавливается временная крепь из анкеров (2), набрызгбетона или их сочетания. Взорванный грунт грузят погрузочной машиной (1) на транспортер или в вагонетки (3) и через бункер (7) на передвижном помосте (4) перегружают его в вагонетки (6) на нижнем откаточном горизонте. Грунт из забоя нижнего уступа II грузят мощной погрузочной машиной (5) в те же вагонетки (6). Составы вагонеток транспортируют к стволу шахты или к порталу.

Достоинства горизонтального расположения шпуров: применение бурового оборудования такого же, как и при разработке верхнего уступа, получение высокого коэффициента использования скважин (шпуров), достижение ровной подошвы тоннеля.

Недостатком способа является последовательность работ по бурению шпуров и погрузке грунта, что снижает скорость сооружения тоннеля. Поэтому горизонтальное расположение шпуров имеет ограниченное применение.

При наклонном расположении скважин (шпуров) достигается независимость работ по бурению скважин и погрузке грунта (рис. 1.67). Для бурения с верхнего горизонта I вертикальных или наклонных скважин диаметром 105 мм применяют станки ударно-вращательного бурения (1) (БМК-4м, НКР-100 м) или же используют колонковые перфораторы, установленные на буровой тележке. После окончания бурения скважин (2) производят заряжание, взрывание зарядов ВВ, проветривание выработки и оборку забоя. Погрузку грунта производят с нижнего горизонта II тоннельным экскаватором (3) в автосамосвалы (4). Для погрузки и транспортирования грунта может быть также использовано другое оборудование.

Схема проходки тоннеля способом нижнего уступа с наклонным расположением шпуров

Рис. 1.67 – Схема проходки тоннеля способом нижнего уступа с наклонным расположением шпуров

Недостатком наклонного расположения скважин являются: необходимость иметь специальное оборудование, менее равномерное дробление грунта, сложность получения ровной поверхности подошвы тоннеля. Несмотря на указанные недостатки, эта схема расположения скважин имеет широкое применение на практике. Высота уступа обычно принимается 8–12 м. Угол наклона уступа к горизонту не должен превышать 80°.

В тоннелях длиной более 300 м бетонную обделку возводят с некоторым отставанием от забоя, а в тоннелях длиной менее 300 м – после проходки верхней части на всю длину тоннеля. Обделку стен и лотка сооружают после разработки нижнего уступа или с некоторым отставанием от забоя.

Этот способ получил широкое распространение при сооружении выработок большой высоты и значительной протяженности как в крепких, так и в грунтах средней крепости.

Достоинства способа проходки тоннелей с нижним уступом: высокая производительность труда; большая безопасность работ; наличие второй обнаженной плоскости в нижнем уступе облегчает буровзрывные работы и приводит к экономии взрывчатых веществ; при разработке грунта в нижнем уступе совмещаются работы по бурению шпуров и погрузке грунта; упрощаются работы по возведению временной крепи и обделки в верхней части тоннеля.

Недостатки способа: необходимость применения разнотипного оборудования для верхнего и нижнего уступов; необходимость сооружения подъездных устройств на верхний уступ и дополнительный перегруз грунта с верхнего горизонта на нижний; увеличение общего времени строительства тоннеля.

Способ центральной штольни

Применение этого способа возможно в крепких скальных грунтах, не требующих временного крепления выработок. Способ центральной штольни заключается в том, что в центре сечения тоннеля проходится опережающая штольня, из которой производится разработка основного сечения.

Работы начинаются с проходки в средней части тоннельного профиля штольни (1) (рис. 1.68, а) прямоугольного или сводчатого очертания. Размеры поперечного сечения штольни, расположенной по центру сечения сооружения или на уровне его подошвы, принимают исходя из габаритов проходческого оборудования и с учетом условий последующего бурения радиальных шпуров (2). Эти требования обеспечиваются обычно при сечении штольни не менее 3×3 м.

Схема проходки тоннеля способом центральной штольни

Рис. 1.68 – Схема проходки тоннеля способом центральной штольни

Схему организации работ применяют в двух вариантах:

  1. передовую выработку (штольню) проходят на полную длину сооружения, а затем расширяют до проектного сечения основной выработки (см. рис. 1.68, а);
  2. проведение передовой выработки и ее расширение выполняют одновременно, но с некоторым интервалом (рис. 1.68, б), при этом параллельно передовой выработке (штольне) (1) проходят в стороне от основного сооружения вспомогательную транспортную штольню (3) (располагаемую на одном уровне с центральной штольней), которую соединяют сбойками (4) через каждые 100–200 м с передовой выработкой.

Вспомогательная транспортная штольня принимается минимального сечения и проходка ее ведется значительно быстрее центральной. Транспортировка грунта из забоя центральной штольни производится через поперечные сбойки без всяких помех работам на участке тоннельного профиля. При большом опережении вспомогательной штольни могут быть открыты дополнительные забои по проходке центральной штольни.

Первый вариант применим при одиночных сооружениях, срок строительства которых допускает предварительное проведение передовой выработки на всю длину. В противном случае применяют второй вариант, который наиболее целесообразен при сооружении двух или нескольких основных сооружений (тоннелей).

По окончании проходки центральной штольни приступают к разработке тоннеля сплошным забоем. Для этого из штольни пробуривают шпуры (2) до контура выработки, располагая их веерообразными рядами через 0,6–1 м.

Взрывные работы ведут так, чтобы забой все время продвигался нависающим уступом. Шпуровые заряды взрывают рядами последовательно с миллисекундным замедлением, что улучшает эффективность взрывных работ, обнажая дополнительные плоскости, и предотвращает завал штольни взорванным грунтом.

Погрузку грунта в тоннельном забое производят высокопроизводительными погрузочными машинами или экскаваторами в большегрузные вагоны или автосамосвалы.

Достоинство способа центральной штольни заключается в том, что он допускает комплексную механизацию всего производственного процесса сооружения тоннеля, что обеспечивает высокие скорости проходки.

К недостаткам способа относятся затруднительность хорошего оконтуривания основной выработки вследствие радиального расположения шпуров, усложнение и удорожание работ из-за проведения центральной штольни, а при втором варианте, кроме того, из-за проведения вспомогательной штольни и сбоек.

В зарубежной практике имеется опыт сооружения тоннелей способом центральной штольни в трещиноватых грунтах с применением анкерной крепи (рис. 1.69). .В этом случае из штольни бурили шпуры (1) нормальной длины, а в кровле – более глубокие (2), выходящие на 2 м за контур тоннельного профиля. В эти шпуры вставляли изогнутые стальные стержни (3) длиной 2 м с резиновой пробкой (5) и нагнетали цементно-песчаный раствор (4), образуя железобетонный анкер. В пределах будущей выработки шпуры оставляли свободными для зарядки взрывчатым веществом.

Схема проходки тоннеля способом центральной штольни с применением анкерной крепи

Рис. 1.69 – Схема проходки тоннеля способом центральной штольни с применением анкерной крепи

После отрыва грунта по контуру свода тоннеля обнажались концы забетонированных стержней с винтовой резьбой. На обнаженные концы стержней надевали и закрепляли гайками пластины, поддерживающие стальную сетку, Получалась надежная анкерная крепь с защитой от выпадания мелких кусков грунта.


© 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