книги / Технология строительства подземных сооружений. Строительство горизонтальных и наклонных выработок
.pdfТЕХНОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
СТРОИТЕЛ ь с т в о ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ВЫРАБОТОК
2-е издание, переработанное и дополненное
Рекомендовано Комитетом по высшей школе Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации в качестве учебника для студентов вузов, -обучающихся по специальности
«Шахтное и подземное строительство»
МОСКВА "НЕДРА” 1992
ББК. 33.15 T 38
УДК 622.26(0.75.8)
Авторы: И. Д. Насонов, В. А. Федюкин, М. Н. Шуплик. В. И. Ресин..
Рецензент кафедра строительства подземных сооружений и шахт Тульского политехнического института
2502010000—246
130—92
1 043(01)—92 |
|
|
|
ISBN 5-247-01152-Х |
Издательство |
«Недра», |
1983 |
|
Коллектив |
авторов,, |
1992;. |
|
с изменениями |
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Дальнейшее развитие народного хозяйства страны обуслов ливает необходимость значительного увеличения объема строи тельства капитальных горных выработок в горнодобывающей промышленности, транспортных и гидротехнических тоннелей, городских инженерных коммуникаций, а также подземных со оружений специального назначения. В связи с этим повышение интенсивности труда, улучшение качества и уменьшение (сни жение) сроков подземного строительства в первую очередь за счет совершенствования организации производства и примене ния (внедрения) в строительстве новой техники и технологии работ является весьма важным. Поэтому*при строительстве го родских подземных коммуникаций получат более широкое при менение механизированные щитовые комплексы, прогрессив ные способы производства работ, новые виды строительных ма териалов и конструкций..
При строительстве транспортных и гидротехнических тонне лей, а также капитальных горных выработок в горнодобываю щей промышленности дальнейшее развитие получит комбайно вый способ.
Намечается проведение значительной работы по широкому внедрению анкерной и набрызгбетонной крепей, отличающихся сравнительно низкой стоимостью и трудоемкостью возведения.
В части совершенствования организации производства полу чат дальнейшее внедрение поточные технологические схемы строительства, в которых гармонично увязаны горно-теологиче ские условия, эффективное использование оборудования и про грессивные методы организации труда.
Все указанные выше вопросы получили достаточное осве щение в данной монографии.
Настоящая книга является частью II учебника «Технология строительства подземных сооружений» для студентов специ альности 0206 и содержит сведения по технологии строитель ства горизонтальных и наклонных городских подземных соору жений, капитальных горных выработок, транспортных и гидро технических тоннелей, камер больших размеров в обычных гор но-геологических условиях.
РАЗДЕЛ I
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИИ ОГРАНИЧЕННОГО СЕЧЕНИЯ В МЯГКИХ ПОРОДАХ (ГРУНТАХ)
Подземные сооружения применяют во многих отраслях на родного хозяйства. Кроме добывающих отраслей и городского хозяйства, подземные сооружения в последние годы стали ши роко использоваться в энергетике, промышленности и сельском хозяйстве.
Естественно, значительное различие, горно-геологических условий размещения подземных сооружений и многообразие их назначения обусловливают большое разнообразие форм и раз меров поперечных сечений. При этом форма поперечного сече ния подземного сооружения в основном устанавливается, исходя из характеристики вмещающих пород (грунтов), их водо носности, величины давления горных пород, а также исходя из материала и конструкции крепи (обделки). Размеры же по перечного сечения в основном определяются, исходя из назна чения подземного сооружения и, в частности, например, из ус ловия пропускной способности воды в гидротехнических тонне лях, пропускной способности и размещения габаритов подвиж ного состава в железнодорожных и автодорожных тоннелях или из условий размещения в подземном сооружении оборудова ния, напримёр, машинный зал для турбин и т. д.
В горнорудной промышленности поперечные сечения всех транспортных выработок определяются габаритами транспорт ных средств, числом рельсовых путей, зазорами между крепью и наиболее выступающими частями подвижного состава или конвейера, способом передвижения людей и количеством* про ходящего по выработке воздуха для проветривания. Серийно изготовляемые транспортные средства для горной промышлен ности типизированы, а зазоры принимают в соответствии с Правилами безопасности. В связи с этим поперечные сечения всех горных выработок для осоновных видов крепи и транс портных средств типизированы и сведены в альбомы. Вместе с тем остаются актуальными вопросы унификации сечений вы работок, которые позволили бы обеспечить наименьшее число типоразмеров при минимальном увеличении объема горнопро ходческих работ в связи с увеличением глубины разработки
п-олеэных ископаемых, увеличением мощности горных пред приятий, и следовательно, увеличением габаритов транспорт ных средств и количества подаваемого воздуха для проветри вания.
В горнорудной промышленности наиболее широко использу ются горные выработки арочной формы с преобладающими размерами поперечного сечения не более 25 м2. В городском хозяйстве в основном используются коллекторные тоннели кру говой формы и поперечным сечением 8—10 м2. В транспортном строительстве железнодорожные и автодорожные тоннели име ют арочную и подковообразную формы поперечного сечения размерами 25—60 м2. В гидротехническом строительстве водо подающие тоннели подразделяются на малого сечения — до 1*2 м2, среднего— 13—60 м2, большого —-более 60 м2. При этом безнапорные тоннели в основном выполняются арочной и под ковообразной форм поперечного сечения, а напорные тоннели чаще всего имеют круговое очертание.
Что касается подземных сооружений камерного типа (ма шинный зал, трансформаторная, камера затворов, склады, хра нилища, промышленные цеха, ангары, плавательные бассейны, спортивные залы и др.), то они выполняются прямоугольной формы поперечного сечения со сводом в верхней части камеры
иразмерами до 1000 м2 и более.
Всвязи с расширением области применения подземных со~
оружений за последние годы в значительной степени возросли объемы горно-строительных работ, которые ежегодно составля ют несколько млн. м3. Только в угольной промышленности объем горностроительных работ в околоствольных дворах еже годно составляет более 700 тыс. м3, а в рудной — около 300 тыс. м3. Значительно возросли объемы подземного строи тельства в городах. Ежегодно в городах прокладывают около 70 км коллекторных тоннелей различного .назначения.
Наряду с этим наблюдается усложнение горно-геологиче ских условий строительства, и как следствие этого — увеличе ние трудоемкости работ. Поэтому только широкое применение комплексной механизации, передовой техники и технологии горно-строительных работ позволит успешно выполнить народ нохозяйственные задачи, стоящие перед страной.
В зависимости от устойчивости породного массива при об нажении и наличия подземных вод горно-строительные работы выполняются обычным способом с использованием забойного водоотлива или с применением специальных способов, преду сматривающих различные .методы предварительного водоподавления.
-В настоящей части учебника рассматриваются обычные спо собы производства работ. При этом в зависимости от крепости горных пород ('Грунтов) и с учетом размеров поперечного се-
*чения подземного сооружения применяются различные способы. Так, в мягких, но достаточно устойчивых водоносных породах
*илн при незначительных притоках воды в забой |
(до |
5 м3/ч) в |
||
Зависимости от размеров подземного |
сооружения |
и |
глубины |
|
его заложения возможно применение |
открытого |
к |
закрытого |
способов строительства с применением различных щитов, про давливающих и передвижных установок, а также с помощью ^комбайнов и комплексов. В породах крепких .(/>6) и средней крепости (/=4-=-6) как правило используется способ буровзрыв ных работ, а также может использоваться комбайновый способ.
Технологические схемы прбиэводства горно-строительных !работ в основном определяются методом раскрытия (разработ ки) поперечного сечения подземного сооружения в зависимости от его размеров и технологической связи между процессами разрушения породного массива, погрузки разрушенной массы, организации призабойного транспорта и производства работ по возведению постоянной крепи (обделки).
Так, например^ в практике гидротехнического строительства при буровзрывном способе разрушения породного массива при меняется 5 основных технологических схем раскрытия попереч ного сечения, регламентированных СНиП III-4-77, которые ус пешно используются и в других отраслях подземного строи тельства в аналогичных условиях.
На'рнс. 1.1 схематично показана очередность раскрытия по перечного сечения при строительстве гидротехнических й транс портных тоннелей.
Рис. 1.1. Очередность раскрытия поперечного сечения подземного сооружения (цифрами показана последовательность .горно-строи тельных работ)
С
Г л а в а 1
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЩИТОВ
1.1. СУЩНОСТЬ СПОСОБА И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
Строительство подземных сооружений с применением щита' заключается в том,, что все основные работы по разработке и погрузке породы, возведению постоянной .крепи (обделки) осу ществляются под защитой временной металлической оболочки (щита), располагаемой в забое выработки и передвигаемой по
мере выемки породы. |
|
от |
формы выра |
Форма поперечного сечения щитазависит |
|||
ботки и может быть круглой, |
эллиптической, |
подковообразной |
|
•и прямоугольной.'Наибольшее |
распространение |
получили щи |
ты круглой формы.
Хотя конструктивные решения щитов разнообразны, в их схеме можно выделить следующие основные части (рис. 1.2); ножевое кольцо 1, опорное кольцо 2, хвостовую часть 3, верти кальные 9 и горизонтальные перегородки 16.
Ножевое кольцо служит для частичного срезания мягких и сыпучих пород и предохранения вывала породы. Под защитой ножевого кольца осуществляют выемку горной породы.
Опорное кольцо, непосредственно примыкающее к ножево му, является основой несущей конструкции щита и служит для размещения щитовых гидравлических домкратов 5, труб и пуль та механизмов управления движением щита.
• В хвостовой части щита возводят постоянную крепь (обдел ку) 4. Перемещение щита, а в мягких породах его вдавливание
л * |
з 4 |
ТЛ г |
Рис. 1.2. Схема проходческого щита
в массив с целью разработки породы осуществляется с помощью щитовых гидравлических домкратов.
Щиты диаметром до 2 м не имеют перегородок. При увели чении диаметра до 3 м щиты снабжаются одной горизонталь ной перегородкой. В щитах больших размеров устанавливают несколько горизонтальных и вертикальных перегородок для увеличения жесткости и прочности щита. Горизонтальные и вертикальные перегородки делят сечение щита на независимые рабочие ячейки, обеспечивающие удобство и безопасность ве дения горностроительных работ по всему забою. В необходи мых случаях крепление забоя выработки осуществляется с по мощью забойных домкратов 7. На перегородках монтируют также выдвижные платформы 6 с гидродомкратами 8, с кото рых ведут разработку породы в ячейках щита.
Передвижка щита осуществляется следующим образом (см. рис. 1.2). После разработки породы перед ножевым кольцом на глубину заходки Н включают щитовые гидравлические дом краты 5, штоки которых упираются в неподвижное кольцо кре пи (обделки) 4, в результате чего щит передвигается вперед в •свободное пространство. При движении щита порода частично по контуру выработки срезается его ножевой частью. После перемещения щита на новую заходку штоки гидродомкратов убирают в исходное положение и под защитой оболочки хво стовой части возводят постоянную крепь (обделку) из сборных
железобетонных элементов или |
монолитную бетонную крепь. |
В первом случае за пределами |
щита за обделку нагнетают |
тампонажные растворы. |
|
Основными геометрическими параметрами проходческих щи тов являются: наружный диаметр оболочки щита Ощ, его дли
на 1щ и коэффициент маневренности |
kn, равный отношению |
|
полной длины щита к его диаметру (км= Ь щ/Ощ). |
||
Коэффициент |
маневренности для |
щитов диаметром 2,1— |
3,2 м составляет |
1,6—1,4, для щитов диаметром 4—5 м — 1,2— |
0,8, для щитов большего диаметра — 0,75—0,4. При ббльших 'значениях коэффициента маневренности управление щитом ста новится затруднительным, особенно при проведении выработки с малыми радиусами закругления.
Наружный диаметр оболочки зависит от внешнего диамет ра тоннельной обделки 4 , сооружаемой внутри хвостовой час ти щита, строительного зазора е, необходимого для обеспече ния удобства сборки обделки и обеспечения небольших откло нений оси щита от оси тоннельной обделки при проходке кри волинейных участков трассы, и толщины оболочки fi щита. Среднюю величину строительного зазора в отечественной и за рубежной практике принимают приблизительно равной 0,8% наружного диаметра обделки. Таким образом,
D ^ d à + e + 2 8 = l,008da+ 26.
Оболочку щита изготовляют из стального листа, толщина которого определяется расчетом из условия прочности на рав номерное давление породы. Кроме того, оболочка щита долж на также противостоять истиранию, от механического трения о породу. Все эти обстоятельства учитывают при проектировании проходческого щита и расчете элементов его конструкций. Тол щина оболочки колеблется от 6 м-м в щитах малого диаметра до 60 мм в щитах большого диаметра.
Полная длина щита поверху
=+ L on, к“Ь А)б>
где LH— ширина ножевого кольца, зависящая от степени устой чивости пород, в которых осуществляется проведение. В устой чивых пародах эта величина должна быть достаточной для удобной и безопасной работы проходчиков, в щитах средних размеров она измеряется от 1 до 1,2 м, при проходке по сыпу чим породам длина ножевой части корректируется величиной угла обрушения пород в пределах ножа три незакрепленном забое; Lon. к — ширина опорного кольца, принимаемая обычно равной удвоенной величине рабочего хода щитового домкрата. Ход щитового домкрата принимают равным ширине кольца об
делки 6, т. |
е. Lon. к=2&; |
L0e— ширина |
хвостовой части щита |
(оболочки), |
Lo6 = h + l2 +h, |
h — величина |
перекрытия обделки, |
принимаемая с небольшим запасом равной ширине одного коль ца обделки при проходке в устойчивых породах или двух колец при проходке в неустойчивых породах, т. е. l\ = (1,2-^2,2)6; k — ширина свободного промежутка между опорой домкрата и плоскостью кольцевого борта обделки, равная 0,15—0,2 м; /з — длина конструктивных элементов гидродомкрата, изменяется от 0,4 до 0,7 м.
Щиты могут применяться в большом диапазоне геологиче ских и гидрогеологических условий, что делает способ строи тельства выработок с помощью щитов практически универсаль ным. Наиболее часто щиты применяют при строительстве гори зонтальных выработок в слабоустойчивых породах.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ЩИТОВ
По размерам проходческие щиты подразделяют на щиты
малого диаметра (до 3,2 м включительно), |
среднего (до 5,2 м) |
|
и большого (свыше 5,2 |
м). Щиты малого и среднего диаметров |
|
применяют в основном |
при строительстве |
коллекторных тонне |
лей различного назначения в .городах и на промышленных, предприятиях, а также гидротехнических тоннелей. Кроме того,
щиты среднего |
диаметра |
применяют для проведения горных |
|
выработок в слабых неустойчивых породах |
при строительстве |
||
и эксплуатации |
угольных |
шахт и (рудников. |
Щиты большого |
диаметра (до 11,2 м) применяют в основном для строительства транспортных тоннелей, в том числе перегонных и станцион ных тоннелей метрополитена, железнодорожных и автомобиль ных тоннелей, а также тоннелей спёциального назначения.
В конструктивном отношении проходческие щиты подразде ляют на немеханизированньЁе и механизированные.
Немеханизированными считаются щиты, в которых отсутст вуют какие-либо специальные органы воздействия на забой с целью разрушения массива. Разработка породы в этих щитах (в зависимости от структуры и крепости пересекаемых забоем пород) производится ручными инструментами, отбойными -мо лотками, буровзрывным^способом или путем вдавливания в по родный массив элементов ножевого кольца щита. Все другие проходческие операции в немеханизированных щитах в зави симости от их конструктивного устройства имеют различный уровень механизации.
Механизированными считаются, щиты, в которых разруше ние породы в забое осуществляется рабочими органами раз личного типа. Обязательной для всех механизированных щитов является также полная механизация и других основных про цессов проходческого цикла.
Рациональной границей экономического применения механи зированных проходческих щитов в.одинаковых горно-геологиче ских условиях следует считать горизонтальные выработки .про тяженностью для механизированных от 400 м и более, для не механизированных—до 400 м.
Немеханизированные щиты изготовляют с открытой или за крытой головной частью, т. е. забой выработки остается откры тым или же закрепляется с помощью специальных приспособ лений и устройств.
Щиты с открытой головной частью .применяют в самых раз нообразных горно-геологических условиях, встречающихся при строительстве тоннелей, в том числе в породах обводненных и слабоустойчивых. В последнем случае головная часть -щита оснащается жёсткими площадками, разделяющими забой на ярусы, в которых за счет образования мелких осыпей предот вращается самопроизвольное высыпание породы во внутреннюю часть щита.
На рис. 1.3 приведены принципиальные схемы немеханизированных щитов с открытой головной частью. На рис. 1.3, а. показана схема щита малого диаметра без рабочей площадки с плоскостью ножевой кромки под углом к горизонтали, рав ным примерно углу естественного откоса слабоустойчивых по род. Погрузка породы в таких щитах, как правило, осуществля ется вручную. На рис. 1.3,6 показана схема аналогичного щита с большой степенью сужения головной части. Такие щиты при меняют для строительства тоннелей во влажных глинистых no
lo