9.6. Основные положения технологии сооружения тоннелей

Сооружение тоннелей в полускальных и слабых породах

Для проходки тоннелей в полускальных и слабых породах применяют чаще всего способы полностью раскрытого профиля, опорного ядра и опорных стен.

Способ полностью раскрытого профиля впервые был применен в 20-тых годах девятнадцатого столетия при строительстве тоннелей в Австрии, поэтому в технической литературе его называют еще Австралийским. Способ применим в полускальных, слабых и мягких породах с коэффициентом крепости f =1…3, оказывающих значительное горное давление на крепь (слабые сланцы, мергели, глины, гипсы и др.).

Очередность производства работ представлена на рисунке 9.34. Постройка тоннеля ведется кольцевым методом.

1 - проходка нижней штольни; 2 - проходка верхней штольни; 3 - разработка малого верха; 4 - разработка большого верха; 5 - разработка ядра; 6 - разработка боков; 7 - устройство обделки

Рисунок 9.34 – Последовательность раскрытия профиля тоннельной выработки

Работы начинаются с проходки нижней транспортной штольни 1 на всей или большей длине тоннеля для создания возможности развертывания работ одновременно на нескольких участках - кольцах. В пределах кольца работа начинается с проходки фурнеля и последующей разработки верхней штольни 2 на длину кольца принимаемого 6…6,5 м. Порода в нижнюю штольню подается через фурнель, через нее же в верхнюю штольню подается крепежный материал.

Раскрытие малого верха (рисунок 9.35) начинается с устройства между рам штольни борозд с подбоями 1, в которые укладывают короткие лежни подхвата (унтерцуга) 2, а под верхняки рам штольни подводят прогоны 3 (лонгарины), длина которых соответствует длине кольца. Между лежнями и прогонами забивают стойки 4 (штендеры). Тем самым горное давление с верхняков штольни передается на подхват. После забивки первого посада марчеван, опертых на прогоны, начинают разработку породы в поперечном направлении. Перед этим убирают стойки и лежни рам штолен. Раскрытие малого верха (средней калотты) сопровождается последовательной установкой прогонов, поддерживаемых продольными рядами стоек, опертых на короткие лежни подхвата.

Рисунок 9.35 – Технологическая схема раскрытия малого верха

По окончании раскрытия малого верха отрывают новые борозды 5, в которые укладывают (рисунок 9.36) лежни 6 состыкованные по длине (длинные лежни). На эти лежни перекрепляют ранее поставленные прогоны (лонгарины), путем постановки новых длинных стоек 7. После этого осуществляется раскрытие свода в пределах большой калотты. Для предохранения прогонов от сдвига они раскрепляются распорками 8.

Рисунок 9.36 – Технологическая схема раскрытия калотты и ядра выработки

На следующем этапе разрабатывают породу ядра. Для этого отрывают траншею под средней частью прогонов, ширина траншеи принимают достаточной для установки первой пары нижних стоек 9, поддерживающих лежень. Внутренние стойки ставят в продолжение стоек подхвата. Нижние стойки опирают на лежни 10, которые укладывают в подбои нижних штолен. Расширение траншеи сопровождается постановкой следующей пары стоек и так по всей длине кольца. Стойки в узлах должны раскрепляться поперечными 11 и продольными 8 распорками, обеспечивающими устойчивость конструкции временного крепления.

Раскрытие боков выработки ведется сверху вниз с постановкой прогонов, поддерживаемых наклонными стойками, которые опираются в стойки рам штроссы. В итоге образуются плоские рамные конструкции, которые называется тоннельными фермами.

Способ полностью раскрытого профиля дает возможность обеспечить широкий фронт работ, монолитность тоннельной обделки бетонируемой непрерывно в пределах кольца. Однако этот способ имеет существенные недостатки, в результате которых он применяется относительно редко и запрещен в городских условиях.

К основным недостаткам относятся большой расход лесоматериалов, сложность конструкции временной крепи, большой объем ручных работ значительные осадки 5…10 см после каждого перекрепления и в сумме достигающие 30…40 см, что должно учитываться при выборе положения верхней штольни и раскрытии калотты.

Этот способ применяется, как правило, при строительстве коротких тоннелей и небольших специальных выработок.

Сооружение тоннеля способом опорного ядра применяется в тех случаях, когда прочность породы недостаточна для опирания на нее свода (f=0,5…2), а другие способы недопустимы из-за возможных больших осадок, связанных с устройством нескольких перекреплений, а также при большом сечении тоннеля.

Сооружение тоннеля способом опорного ядра включает способ опорных стен и способ объемлющей выработки.

Способ опорных стен в тоннелестроении относится к наиболее старым способам. Впервые он был применен в начале девятнадцатого столетия в Германии, в литературе его также называют германским.

При способе опорных стен сооружение тоннеля (рисунок 9.37) начинают с проходки боковых штолен первого яруса по всей длине тоннеля 1 и бетонирование стен на высоту штолен II. Все оставшееся свободное пространство в штольнях забивают камнем или разработанной породой.

Рисунок 9.37 – Очередность сооружения тоннеля способом опорных стен

Затем выполняют аналогичные работы в штольнях второго яруса 3 и IV, удаляя при этом верхняки и затяжку кровли в штольнях первого яруса.

По готовности стен приступают к проходке верхней штольни 5. Разборку породы свода 6 осуществляют, как и в ранее рассмотренных способах на длину кольца (2…4 м) с использованием забивной крепи. Затем бетонируют свод VII в пределах кольца.

Если при сооружении стен темп работ определяется одним забоем в штольне, то при сооружении свода фронт работ расширяется по мере проходки верхней штольни.

После сооружения свода на значительном участке производят разработку ядра 8 с помощью тоннельных экскаваторов или породопогрузочных машин. При этом внизу между стенами ставят мощные распорки, на которые укладывают рельсы узкоколейных путей.

В заключении разрабатывают котлованы 9 и бетонируют обратный свод X.

Этот способ отличается большой трудоемкостью и продолжительностью, применяется редко при сооружении тоннелей большого сечения.

Способ объемлющей выработки называется еще «колодезный» или «траншейный» способ (рисунок 9.38).

а – очередность выполнения работ; б – схема крепления выработки; 1- стойки подхвата; 2- продольные лежни; 3- лежни верхней штольни; 4- крепь внешней стороны; 5- крепь внутренней стороны

Рисунок 9.38 – Последовательность работ по сооружению тоннеля способом объемлющей выработки

В отличие от ранее рассмотренных горных способов (рисунок 9.38, б) здесь стойки подхвата 1 опираются на продольные лежни 2, уложенные на всю длину кольца по лежням верхней штольни 3.

Для будущих стен в пределах кольца отрывают колодцы с забивной крепью с внешней 4 и внутренней стороны 5 (колодезный способ). Если позволяет горное давление, для возведения стен проходят траншеи в пределах нескольких колец (траншейный способ). Он выгоден тем, что порода из траншей может подаваться транспортерами вдоль тоннеля. При колодезном способе порода поднимается в верхнюю штольню, из нее спускается по фурнелю в нижнюю транспортную штольню.

Ширина колодцев или траншей принимается достаточной для выполнения работ по установке кружал, перекрепления на них затяжки, бетонирования фундаментов, стен и свода без перерыва.

Производство работ в стесненных условиях приводит к удорожанию строительства.

Способ объемлющей выработки отличается большой надежностью, и применим в слабых и водоносных породах, в песках, глинах и суглинках, а также при возведении широких двухпутных тоннелей. Как правило, сооружают обратный свод. Его возведение начинается после удаления породы ядра под защитой обделки. Понизу между стенами ставят мощные распорки, на которые переносят рельсы узкоколейного пути. Под распорками отрывают поперечные траншеи, в которых бетонируют обратный свод.

В последнее время проходка тоннелей в слабоустойчивых породах способом опорного ядра был усовершенствован. Деревянное крепление заменено на металлическое и железобетонное, претерпела изменения и технология проходки.

При сооружении автодорожного тоннеля в рыхлых слабоустойчивых породах (Швейцария) способом опорного ядра сначала проходили боковые штольни увеличенной высоты, равной высоте стены. Временной крепью служили стальные арки (рисунок 9.39).

а, б, в, г – этапы работ; 1,2 – стальная арочная крепь; 3 – порода ядра выработки

Рисунок 9.39 – Сооружение тоннеля способом опорного ядра

После проходки штолен на длину 12…15 м бетонировали стены и плоский лоток в пределах штольни. Затем разрабатывали калотту под прикрытием арок временной крепи установленных с шагом 1 м. разработку породы в штольнях и калотте производили отбойными молотками и вывозили вагонами-думпкарами. Бетонная обделка возводилась под защитой временной крепи. После разборки калотты проходили штроссу и затем бетонировали плоский лоток.

Способ опертого свода впервые был применим в Бельгии в 1928 г. при строительстве судоходного тоннеля в мягких малообводненных грунтах. В литературе его также называют бельгийским. Данный способ может применяться в тех случаях, когда порода способна выдержать давление временно опертого на нее свода тоннельной обделки. Он применим в сухих глинах, суглинках, супесях и даже в сухих лессах, если в ходе работ будет исключено их замачивание.

Работы по строительству тоннеля начинают с проходки нижней штольни, как и в предыдущем случае (рисунок 9.40). После этого проходят фурнель и верхнюю штольню на длине кольца (не более 6,5 м).

а – очередность работ; б – очередность разработки породы боков и бетонирования стен; в – технологическая схема раскрытия и устройства свода тоннельной обделки; 1 - прогон; 2 - стойка; 3 - прокладка; 4 - кружала; 5 - надкружальные мальчики; 6 - подкружальные мальчики; 7 – фурнель; 8 – бетонная смесь

Рисунок 9.40 – Схема организации работ при сооружении тоннеля способом опертого свода

На рисунке 9.40, в поддерживающие прогоны 1 через продольные ряды стоек 2 опираются непосредственно на породу через подкладки 3. Верх раскрывается под защитой забивной крепи, а при наличии крепких пород может быть поставлена и закладная крепь.

По окончании разработки породы до пят свода будущей обделки устраивают кружала свода 4, прогоны перекрепляют на кружала с помощью надкружальных 5 и подкружальных 6 стоек. После этого бетонируют свод, как и в предыдущем способе.

После набора бетоном свода проектной прочности, снимают кружала и под защитой свода обделки разрабатывают породу ядра. Породу по бокам оставляют с бермами шириной 0,25…1,0 м от пят свода.

Разработка породы в боках осуществляется проходкой отдельных ниш глубиной до подошвы контура выработки. В нишах устанавливают кружала, опалубку и производят бетонирование обделки стены снизу до пяты готового свода. При необходимости пята свода поддерживается наклонными стойками. В начале обделка сооружается под углами свода кольца по диагонали (рисунок 9.40, б). Когда все углы свода поддержаны столбами обделки, производят разработку породы в промежутках. Распалубку стен обычно производят через 7…14 суток.

Наиболее ответственной является операция по очистке пят свода и заполнение стыка стены со сводом жестким бетоном. Это место является, как правило, слабым в обделке, здесь зачастую просачивается грунтовая вода. Поэтому в месте опирания свода на стены целесообразно нагнетание за тоннельную обделку цементно-песчаного раствора и цементного молока.

Способ защитного свода является наиболее экономичным из всех горных способов. Быстрое закрепление кровли выработки постоянной обделкой, а также отсутствие перекреплений уменьшает осадку тоннельной конструкции и создает более безопасные условия работ при разработке ядра выработки и сооружении стен.

Основным недостатком способа является сложность подводки стен под свод, что при недостаточном качестве работ может привести к осадке свода.

Новые методы сооружения тоннелей горным способом

Описанные выше горные способы работ (опертого свода опорного ядра, раскрытия на полное сечение по частям) являются трудоемкими, поскольку разработку грунта и устройство обделки ведут отдельными частями, а не на все сечение тоннеля.

При этих способах вследствие загромождения сечения тоннеля временным креплением и необходимости возведения постоянной обделки на узком фронте работ возможность применения высокопроизводительной горнопроходческой техники ограничивается, а скорости проходки низкие.

Разработаны новые методы работ, которые позволяют раскрывать сечение тоннеля сразу на возможно больший профиль с установкой временной крепи, не загромождающей сечение, и последующим возведением постоянной обделки на широком фронте. К таким методам относятся:

метод проходки с устройством податливого свода (разработан австрийскими инженерами в середине шестидесятых годов и получил название новоавстрийского);

метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи (предложен советскими специалистами);

новый вариант метода опорного ядра.

Метод проходки с устройством податливого свода (новоавстрийский метод). Технология работ по сооружению тоннеля этим методом (рисунок 9.41) исходит из следующих основных положений.

После проходки горной выработки порода в естественном массиве постепенно переходит из упругого состояния в состояние потери устойчивости и далее в неустойчивое состояние. Установка временной крепи во время проходки должна обеспечить устойчивость массива. Крепь может работать как жесткая опора для окружающего массива, или как податливая конструкция, допускающая деформации совместно с массивом.

а — горный способ; б — новоавстрийский способ; 1 — деревянная затяжка; 2 — стальная арка; 3 — рошпаны (1, 2 и 3 составляют временную крепь, расположенную вне постоянной обделки); 4 — бетонная или железобетонная постоянная обделка; 5 — обратный свод; 6 — несущий породно-анкерный свод; 7 — анкеры (в шахматном порядке); 8 — наружный слой обделки из набрызгбетона толщиной 5-15 см (вместе с анкерами служит временной крепью); 9 — внутренний слой постоянной обделки из набрызгбетона или бетона толщиной 10…35 см

Рисунок 9.41 - Конструкции обделок, выполненных по различным технологиям

Податливая конструкция крепи дает возможность максимально использовать собственную несущую способность породного массива. При этом крепление выработки следует выполнять как можно быстрее после разработки породы с тем, чтобы эффективно использовать естественную устойчивость породы до перехода ее в неустойчивое состояние. Это достигается путем создания податливого свода состоящего из тонкой оболочки набрызгбетона, плотно нанесенной на породу и армированной (в случае необходимости) сеткой или арками, и слоя прилегающих к этой оболочке пород, включенных в работу свода путем установки в породу системы анкеров различной длины. В таком искусственно созданном податливом своде гибкая оболочка из набрызгбетона воспринимает лишь незначительные изгибающие нагрузки, а слой пород, закрепленный анкерами, принимает на себя основное горное давление.

Возведенное таким образом временное крепление, взаимодействующее с породой и плотно к ней прижатое по всему периметру выработки, искусственно удлиняет время сохранения устойчивости горными породами до тех пор, пока не будет возведена постоянная обделка. При этом сечение тоннеля освобождается, что дает возможность широко применять высокопроизводительные горнопроходческие механизмы, а постоянную обделку можно возводить на значительном удалении от забоя и сразу по всему сечению с использованием механизированной опалубки и бетоноукладочных машин.

При этом методе в ходе проходки необходимо систематически вести контрольные измерения горного давления, нагрузок на крепь и деформаций крепи и массива. Это дает возможность на основании результатов измерений в зависимости от толщины слоя набрызгбетона, длины и диаметра анкеров увеличивать, при необходимости число анкеров и толщину слоя набрызгбетона.

Новоавстрийский метод можно применять в разнообразных и сложных инженерно-геологических условиях (например, в неустойчивых или подверженных пучению породах при проходке горных тоннелей, а также для безосадочной проходки тоннелей метрополитенов).

Новоавстрийский метод дает возможность скоростного и экономичного сооружения тоннелей, поскольку применение податливой крепи и оптимальное использование естественной устойчивости массива позволяют уменьшить металлоемкость временной крепи и толщину постоянной обделки, которую рассчитывают с учетом восприятия горного давления временной податливой крепью.

Технологический процесс включает следующие основные операции (порядок их может меняться в зависимости от геологических условий):

бурение шпуров, разработка и уборка породы;

нанесение слоя набрызгбетона, этот процесс должен осуществляться непосредственно после разработки породы свода с минимальным отрывом по времени, набрызгбетон наносят на боковые и лобовые поверхности забоя в несколько слоев, при толщине каждого слоя от 5 до 10 см;

установка анкерной крепи в непосредственной близости от забоя сразу после нанесения набрызгбетона;

проведение контрольных измерений и поддержание выработки временной крепью до возведения постоянной конструкции обделки, данные контрольных измерений используют при усилении набрызгбетонной обделки или при расчетах конструкции постоянной обделки;

возведение постоянной конструкции обделки с учетом данных контрольных измерений.

Метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи также базируется на применении крепей ограниченной податливости, позволяющих реализовать несущую способность горного массива. Основными конструктивно-технологическими принципами этой технологии являются: немедленное возведение у забоя металлической арочной крепи, рассчитываемой на частичное восприятие расчетной величины горного давления в строительный период, и замена традиционной дощатой затяжки бетонным слоем минимальной толщины, уложенным между породой и внешней полкой установленной арки.

Эта крепь ограниченной податливости обеспечивает поддержание выработки в строительный период вначале за счет деформативности собственно арок, а позже за счет ползучести бетона, которая затухает по мере его твердения. В этот период производят замер деформаций арочно-бетонной крепи для контроля правильности принятых расчетных предпосылок. Если деформации незначительны или отсутствуют, то арки можно демонтировать для повторного использования на следующих участках тоннеля.

Возведенную таким образом временную арочно-бетонную крепь (с арками или без них) используют в постоянной обделке, в качестве первого слоя, рассчитанного на восприятие горного давления. Толщину второго слоя постоянной обделки определяют расчетом многослойной системы на нагрузки эксплуатационного периода (гидростатическое давление, остаточное горное давление, сейсмические воздействия и т. д.).

В технологический процесс при этом методе сооружения тоннеля входят следующие операции:

бурение шпуров, разработка и уборка породы;

установка арок крепления, монтаж опалубки и укладка бетона за арки;

установка марок для измерения смещений бетона, проведение измерений и принятие решения о снятии или оставлении арок;

бетонирование внутреннего слоя постоянной обделки.

Новый вариант метода опорного ядра. Этот метод (рисунок 9.42) 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.

Сооружение тоннелей в скальных породах

Проходку в скальных породах ведут, как правило, буровзрывным способом, при котором выполнение цикла работ соответствует продвижению забоя на глубину заходки.

После взрывания забой оказывается, завален породой, а кровля выработки у забоя - лишенной поддержки и подверженной деформациям под действием развивающихся в ней растягивающих напряжений.

Нарастание деформаций происходит в зависимости от крепости породы и размеров выработки. Быстрее деформации развиваются в менее крепких породах и больших выработках, этими факторами определяется время, в продолжение которого кровля может быть оставлена без поддержки.

а — проходка опорных тоннелей или штолен; б — возведение боковых бетонных стен; в-проходка сводовой части; г — разработка ядра; д — сооружение обратного свода; 1 — опорные тоннели; 2 — сборная обделка опорных тоннелей; 3 — блокоукладчик; 4 — породопогрузочная машина; 5 — тележка для нагнетания раствора за обделку; 6 — вентиляционная труба; 7 — боковые бетонные стены; 8 — пневмобетононагнетатель; 9 — электровоз; 10 — опалубка стен; 11 — ядро; 12 — калоттная часть тоннеля; 13 — обделка свода из сборных железо-бетонных блоков; 14 — укладчик обделки свода; 15 — самоходный вагон-самосвал; 16 — самоходная буровая установка; 17 — самосвальный автопоезд; 18 — тоннельный экскаватор; 19 — обратный «вод

Рисунок 9.42 - Технологическая схема сооружения тоннеля новым вариантом метода опорного ядра со сборно-монолитной обделкой

В весьма крепких породах выработку оставляют без временной крепи до сооружения постоянной обделки.

В крепких скальных породах, устойчивость которых обеспечена в течение продолжительного периода, временную крепь устанавливают после уборки породы во время бурения шурфов на следующую заходку (со специальной тележки или буровой рамы, подтянутой к забою).

В менее крепких скальных породах временную крепь устанавливают после уборки породы перед бурением шпуров в забое.

В породах средней крепости, слабых скальных и полускальных породах длительное оставление кровли без крепления может вызвать значительные ее деформации и выпадение отдельных глыб. При таких породах крепь ставят сразу после проветривания.

При проходке тоннелей в скальных породах применяют только поточную систему организации работ по длине выработки. При этом в зависимости от степени устойчивости и крепости пород забой продвигают вперед всем сечением или расчленяют на части, последовательность взрывания которых определяет способ проходки тоннеля. Обделку бетонируют, как правило, в полностью раскрытой выработке. В зависимости от характеристики горных пород возможны две схемы организации работ, последовательная, когда к устройству обделки приступают после проходки тоннеля или параллельная, при которой проходка и возведение обделки ведутся одновременно, но с некоторым отставанием бетонных работ. Первая схема более предпочтительна в коротких тоннелях. Основной является вторая схема. Из классификации способов постройки тоннелей известно, что в скальных породах применяют способы сплошного забоя, уступного забоя, ступенчатого забоя и передовой штольни.

Способ сплошного забоя целесообразен в крепких породах (f4), как правило, разрабатываемых взрывным способом одновременно по всему сечению выработки, при проходке тоннелей в породах с f6 применяют тоннелепроходческие машины.

В монолитных скальных горных породах проходка осуществляется, как правило, без крепления; в трещиноватых породах применяется временная крепь.

При недостаточной изученности геологических условий, и в силу отсутствия опережающей выработки, для предупреждения неожиданного прорыва воды или обрушения более слабых пород целесообразно бурить входящую в состав вруба опережающую скважину диаметром 75…100 мм на глубину 20…50 м.

Критерием возможности применения этого способа является безусловная устойчивость забоя без использования несущей лобовой крепи. Для обеспечения безопасности работ и предупреждения вывала отдельных кусков породы забой в случае необходимости затягивают стальной сеткой, натянутой на рамки из стержней диаметром 10…12 мм или вертикальными досками. Опорами досок или рамок могут быть стальные раздвижные трубы, расположенные поперек забоя в 3…4 яруса и поддерживаемые стержнями, заведенными в наклонные шпуры.

Цикл разработки породы состоит из бурения шпуров, их заряжения, взрывного рыхления породы, вентиляции, оборки выступающих кусков породы с помощью отбойных молотков, погрузки и откатки взорванной породы, бетонирования обделки (рисунок 9.43).

Необходимое число шпуров "n" на м² забоя ориентировочно определяется по формуле:

,

где f- коэффициент крепости породы.

S- площадь сечения выработки.

а – бетонирование обделки; б – перестановка вагонеток; в – погрузка породы; 1 – породопогрузочная машина; 2 – буровая рама с перестановщиком; 3 – бетононасос; 4 – передвижная опалубка

Рисунок 9.43 – Схема организации работ по сооружению тоннеля при проходке сплошным забоем

В зависимости от крепости породы расход ВВ на м³ породы составляет 0,6…6 кг. Бурение шпуров наиболее эффективно осуществляется специальными самоходными буровыми установками типа СБУ-2; СБУ-4, оснащенными скоростными бурильными машинами.

При бурении шпуров ручными бурильными молотками их устанавливают на буровых рамах или подмостях. Ускорение уборки породы достигается возможностью применения при проходке тоннеля мощных современных высокопроизводительных породопогрузочных машин ПНБ-3К; ПНК-3.

Проходка сплошным забоем позволяет в максимальной степени механизировать и все другие технологические операции. Так для бетонирования обделки можно использовать складную металлическую инвентарную опалубку, перемещаемую специальными тележками с домкратами, устанавливающими опалубку в рабочее положение.

Способ уступного забоя предусматривает расчленение выработки на две части - верхнюю и нижнюю. Разборка породы, в зависимости от напластования слоев, может производиться с опережением, как в верхнем, так и в нижнем уступе. В первую очередь разрабатывают более слабые породы.

При проходке нижним уступом забой верхней части опережает нижний забой на 30…50 м. Ввиду небольшой высоты забоя шпуры калотты бурят с легких подмостей. После взрыва и обрушения породы производят ее уборку из верхнего забоя. В то же время в нижнем забое бурят шпуры. При этом расширяется фронт работ, увеличивается скорость проходки и несколько может быть снижен расход ВВ.

При длине уступа превышающей 40…50 м (рисунок 9.44) обрушенную породу убирают породопогрузочной машиной в вагонетки с подачей их на передвижной мост с бункером.

1 – передвижной помост с бункером; 2 – породопогрузочная машина

Рисунок 9.44 – Проходка выработки нижним уступом

При проходке верхним уступом (рисунок 9.45) сначала разрабатывают нижнюю часть, с некоторым отставанием верхнюю. Эта схема применяется при наличии в нижней части более слабых пород, чем в верхней. Такая схема проходки позволяет взорванную породу верхнего уступа сразу принимать на тележку, что ускоряет удаление породы и доступ к нижнему забою для его обуривания. Обделку обычно бетонируют целиком в удалении от уступа, определяемом удобствами организации работ.

1 – породопогрузочная машина

Рисунок 9.45 – Проходка выработки верхним уступом

Недостатком ступенчатого способа является сложность организации работ по одновременной разработке двух забоев с перестановкой оборудования.

Способ ступенчатого забоя впервые был применен при строительстве двупутного железнодорожного тоннеля в Германии.

Этот способ является, в известной степени, вариантом способа нижнего уступа. Разбивку забоя проводят аналогично способу нижнего уступа. Однако при способе ступенчатого забоя осуществляют не последовательное, а одновременное проведение верхней части тоннеля и уступа. Такая схема, по сравнению со схемой нижнего уступа, позволяет значительно сократить сроки строительства тоннеля и приблизить их к срокам, обеспечиваемым способом сплошного забоя.

Способ заключается в следующем. Сечение тоннеля разбивают на 2-4 ступени (ярусы, уступы) и разработку забоя растягивают по длине, причем подвигание каждой нижерасположенной ступени ведут с отставанием по длине (на 30-80 м) от разработки ступени, расположенной выше (рисунок 9.46). Подвигание ступенчатого забоя вперед осуществляют одновременно на каждой ступени, причем переход от ступени к ступени выполнен в виде наклонного съезда в середине уступа или поочередно сбоку у стены. Съезд выполняют с уклоном 12-14°, позволяющим передвигаться по нему самоходному оборудованию на пневмоколесном или гусеничном ходу, а также порожнему автотранспорту при подъеме вверх. Через каждые 100-200 м съезды срабатывают и делают заново. На каждой ступени разработку забоя ведут сплошным сечением. Взрывы на всех ступенях производят одновременно, скважины в уступах бурят вертикальные или горизонтальные. Породу с каждой ступени вывозят по тоннелю на поверхность или сбрасывают у нижнего уступа, где работает наиболее мощный экскаватор.

а, б, в - виды поперечных сечений выработок; г - продольный разрез выработки, 1 - комбайн со стреловидным рабочим органом; 11 - бульдозер; 111 - экскаватор с обратной лопатой; IV - автосамосвал; V - опалубка; VI - перестановщик опалубки; 1 -8 - последовательность разработки сечения забоя

Рисунок 9.46 - Схема производства работ способом ступенчатого забоя

В отличие от способа сплошного забоя в данном случае плоскость забоя растянута подлине и имеет не вертикальную, а ступенчатую форму. Достоинства способа нижнего уступа сохраняются, а главный недостаток - удлинение сроков строительства - устраняется. Темп проходки составляет 7…10,5 метров в сутки.

Способ передовой (центральной) штольни предусматривает проходку штольни по оси тоннеля на всю длину или со значительным опережением (рисунок 9.47). Этот способ применим в крепких породах (с коэффициентом крепости f8…10), не требующих временной крепи.

Центральная штольня дает возможность разведать состояние породы, наличие карстовых пустот, источников воды и других препятствий на трассе тоннеля. Кроме того, из центральной штольни ведется обуривание тоннельной выработки радиальными шпурами. Шпуры располагают перпендикулярно оси тоннеля и бурят с помощью перфораторов, опирающихся на установленную в штольне горизонтальную трубу. Взрывание породы дисками толщиной 60…100 см, перпендикулярными оси выработки, обеспечивает расширение сечения со значительной экономией ВВ вследствие наличия двух плоскостей обнажения. Для предотвращения завала штольни взрывание шпуров ведут с опережением нижней части забоя (нависающим уступом). Уборку породы производят тоннельными экскаваторами или породопогрузочными машинами с погрузкой в автосамосвалы или большегрузные вагонетки.

1 – радиальные шпуры; 2 – горизонтальная труба; 3 – перфоратор; 4 –передовая (центральная) штольня

Рисунок 9.47 – Проходка выработки способом передовой штольни

Возможность бурения шпуров без перерыва на уборку породы в основном забое является главным преимуществом этого способа. Недостатком является неудобство бурения длинных веерообразных шпуров, а также зависимость проходки штольни от работ в основном забое. Последний недостаток может быть устранен, если для вывозки породы из центральной штольни параллельно к ней будет сооружена дополнительная транспортная штольня (рисунок 9.48), или же породу основного забоя разрабатывать только после того, как будет пройдена центральная штольня. В последнем случае способ центральной штольни позволит добиться высоких темпов проходки тоннеля за счет создания поточной организации работ и комплексной механизации всего производственного процесса.

Способ центральной штольни до недавнего времени считался неприемлемым в породах, требующих временного крепления. Внедрение анкерной крепи в тоннелестроение заставило пересмотреть эту точку зрения и позволило расширить границы применения способа центральной штольни.

Рисунок 9.48 – Схема расположения основной и транспортной штолен

Конструкция и область применения анкерной крепи

В полускальных и мягких грунтах при проходке тоннелей способом полностью раскрытого профиля выработку обычно закрепляют деревянной крепью. Такая конструкция очень сложна и требует большого расхода дорогостоящего крепежного материала. Сложность работ по устройству такой крепи и загромождение выработки тоннельными фермами исключают возможность механизации производственных процессов.

Временную крепь, применяемую при проходке в скальных породах, устанавливают по контуру выработки, оставляя свободным ее внутреннее пространство. Контурная крепь создает благоприятные условия для комплексной механизации основных работ по сооружению тоннеля и способствует значительному увеличению темпов проходки. К наиболее распространенным системам контурной крепи относятся стальная арочная и анкерная крепи.

Стальная арочная крепь (рисунок 9.49) представляет собой арки (ребра) из прокатных (обычно двутавровых) профилей, которые в случае необходимости могут быть включены в состав бетонной обделки как жесткая арматура.

1 – стяжка; 2 – распорка; 3 – клин

Рисунок 9.49 – Схема арочной контурной крепи

Установка такой крепи производится быстрее, чем деревянной, даже при отсутствии опытных крепильщиков. Это обстоятельство позволяет существенно сократить время цикла и ускорить сооружение тоннеля.

Для обеспечения совместной работы крепи и окружающей породы производят расклинивание зазора между арками и контуром выработки через 1,0…1,5 м. Расстояние между арками принимают в пределах 1,0…1,5 м, кратным глубине заходки.

С целью предупреждения выпадения из кровли кусков породы по ребрам закладывают доски с промежутком не менее 10 см, чтобы при их оставлении за обделкой было обеспечено примыкание бетона к породе. При бетонировании целесообразно снимать все доски, не напряженные горным давлением.

Арочная крепь, поддерживает кровлю выработки снизу, подвергается обжатию, обминается в сопряжениях, что приводит к податливости крепи и развитию деформаций кровли.

Анкерная крепь является разновидностью контурной крепи (рисунок 9.50).

1 – анкер; 2 – профильный металл (швеллер, уголок); 3 – стальная сетка

Рисунок 9.50 – Схема анкерной крепи

Ее работа основана на совершенно ином принципе. За счет обжатия анкерами, прилегающей к ним породы, создается естественный несущий свод, способный воспринимать давление вышележащих слоев породы (рисунок 9.51). В шпур, пробуренный в кровле выработки, вводят стальную штангу 3 на одном конце которой, имеется анкерная головка 1, а на другом резьба для гайки 5. При помощи анкерной головки обеспечивается надежное закрепление анкера в шпуре, после чего на ее нижний конец надевают шайбу 4 и завинчиванием гайки, достигают натяжение штанги силой N.

При этом происходит обжатие породы в пространстве, ограниченном линиями 2, и предотвращается отделение блоков породы друг от друга под действием сил тяжести. Одновременно в результате обжатия породы гайкой, возникают силы трения между пластами породы, препятствующие их взаимному сдвигу, который частично произошел и мог развиваться в результате раскрытия выработки.

Затяжка штанг способствует повышению несущей способности кровли, создает возможность использовать ее для восприятия давления пород, расположенных выше кровли.

Жесткость анкерной крепи больше, чем у других видов крепи, так как в ней отсутствуют обминаемые элементы. Податливость крепи может происходить только в результате недостаточной заделки анкерной головки. При правильном выборе конструкции и параметров анкерной крепи это явление может быть исключено.

Применению анкерной крепи, как правило, предшествует ее испытание в производственных условиях с проверкой правильности принятых параметров крепи и надежности деталей конструкции.

Наряду с выше указанным достоинством анкерная крепь обладает и другими преимуществами:

- свободная от конструкций выработка способствует повышению производительности машин при погрузке и транспортировке породы;

- достигается повышение механизации крепежных работ и сокращения срока их выполнения;

- сокращение расходов на перевозку крепежных материалов;

- устранение опасности повреждения крепи при взрыве в ходе рыхлении породы лба забоя;

- улучшение условий проветривания выработки ввиду отсутствия помех движению воздуха.

1 – анкерная головка; 2 – объем обжатой породы; 3 – стальная штанга; 4 – гайка; 5 – шайба

Рисунок 9.51 - Принцип работы анкерной крепи

Анкеры, имеют различную конструкцию.

По принципу закрепления в породе различают цельнометаллические (клиновые и распорные) анкеры, имеющие контакт со стенками шпура на коротком участке (в замке) и железобетонные (нагнетаемые, набивные, "Перфо"), имеющие контакт со стенками шпура по всей его длине.

Наибольшее распространение получили стальные анкеры клинового типа (рисунок 9.52).

Он представляет собой стальной стержень (штангу) диаметром 25 мм длиной от 1000 до 3000 мм, на одном конце имеется прорезь, в которую вставляется клин, на другом конце резьба, на которую навинчивается гайка с шайбой.

Стержень (штанга) со вставленным в прорезь клином подается в шпур (диаметром 301 мм) и добивается обойным молотком со специальной насадкой, предохраняющей резьбу штанги от повреждения при забивке. Клин вбивается в прорезь, и конец штанги прочно расклинивается в шпуре. На выступающий из шпура конец штанги с резьбой надевают уширенную шайбу с гайкой.

При необходимости вместо шайб устанавливают швеллеры или деревянные брусья. Между швеллерами и породой устанавливают дощатую затяжку или металлическую сетку. При необходимости защита породы хорошо обеспечивается торкретированием. Торкретбетон является надежным изолирующим слоем, который позволяет длительное время защищать горные породы от выветривания и сохранять их качества неизмененными.

1- клин; 2 – штанга; 3 – шайба 4 – гайка; К – длина клина. Размеры в мм

Рисунок 9.52 - Конструкция клинового анкера

Для надежной заделки клинового анкера необходимо при бурении выдержать проектную глубину и диаметр шпура. Разность диаметров шпура и штанги должны быть не более 5…6 мм. При правильном для данных условий соотношении между диаметрами шпура и штанги и достаточной толщины клина (обычно равной диаметру штанги), клиновые анкеры имеют надежную заделку в шпуре. В породах с коэффициентом крепости f= 6…10 несущая способность принимается соответственно 9 и 6 тс.

Клиновые анкеры просты в изготовлении, которое может быть налажено в условиях строительства.

Вместе с тем клиновые анкеры имеют ряд недостатков:

• Усилия от натяжения штанги передается стенкам шпура через небольшие площадки контакта. Поэтому клиновые анкеры нельзя применять в слишком мягких и в слишком крепких породах. В первом случае на контакте штанги с породой образуются пластические деформации породы, а во втором - пластическое течение металла. (Они применяются в породах с коэффициентом крепости f=  4 кроме крепких окварцованных пород).

• При забивке штанги в шпур возникает нежелательное сотрясение кровли забоя.

• К точности бурения шпуров предъявляется повышенное требование. При увеличении диаметра шпура по отношению к проектному падает несущая способность заделки. При слишком длинном шпуре клин не войдет достаточно глубоко в прорезь, а при коротком шпуре затруднено затягивание гайки при натяжении штанги.

• Клиновые анкеры нельзя использовать повторно.

Распорные анкеры (рисунок 9.53) расширяются в шпуре за счет расширения головки анкера. Головка анкера состоит из разрезной распорной муфты 2, которая одевается на расплющенную под клин хвостовую часть 3 штанги 4. Угол наклона внутренних поверхностей разрезной муфты соответствует наклону граней клина 3. Половинки муфты закрепляются на штанге проволочным кольцом 1 и удерживаются от сползания вниз установочной трубой 5, которая вторым концом упирается в опорную шайбу 6.

1 – проволочное кольцо; 2 – распорная разрезная муфта; 3 – клин; 4 – штанга; 5 – установочная труба; 6 – опорная шайба; 7 - гайка

Рисунок 9.53 – Конструкция распорного анкера

В собранном виде анкер вставляется в шпур. При затягивании гайки 7 труба перемещает муфту вверх по клиновидной части штанги, пластинки муфты раздвигаются и, прижимаются к стенкам шпура. После удаления установочной трубы производят полное натяжение штанги и проектное обжатие муфты в шпуре.

Распорные анкеры более сложны в изготовлении, но по сравнению с клиновыми имеют значительные преимущества:

• независимость качества заделки от глубины шпура;

• возможность уменьшения диаметра штанги, которая не ослабляется прорезью (постановка анкера осуществляется без забивки);

• возможность извлечения и повторного использования анкера;

• меньшее влияние точности бурения на качество заделки анкера, зависящее от разности диаметра шпура и головки анкера, которая может быть принята очень небольшой (2…3 мм);

• большая поверхность контакта распорной головки со стенками шпура и увеличение прочности заделки при возрастании нагрузки на анкер, что позволяет применять такие анкеры в сравнительно слабых горных породах (f3).

Натяжение клиновых и распорных анкеров принимают в пределах от 4 до 5 тс. Прекращение затягивания гайки по достижении проектного напряжения в штанге обеспечивается применением пневмогайковертов с фиксированным крутящим моментом или динамометрических ключей.

Анкерная крепь с выше рассмотренными анкерами является временной, анкеры подвержены коррозии под действием подземных вод. Поэтому постановка стальных незащищенных анкеров требует последующего устройства тоннельной обделки.

К анкерам, которые могут быть использованы в качестве постоянной крепи, относятся разной конструкции железобетонные анкеры (набивные, нагнетаемые, «Перфо»).

Наиболее простыми являются набивные анкеры (рисунок 9.54). Их устраивают забиванием стального стержня периодического профиля в шпур диаметром 42…46 мм, предварительно заполненный с помощью пневмонагнетателя жестким цементно-песчаным раствором. Уширенный нижний конец имеет отверстие для прикрепления защитной сетки.

Для заполнения шпура применяют цементно-песчаный раствор на глиноземистом цементе марки 400…500 с добавкой 5…6 % хлористого кальция и водоцементным отношением 0,26. Через шесть часов несущая способность анкера составляет 7…10 тс.

В нагнетаемых анкерах применяют цементно-песчаный раствор состава (1:2) с водоцементным отношением 0,6.

Для удержания раствора и штанги в скважине применяют запорные саморасклинивающиеся в устье шпура пробки из капрона или полиэтилена. Цементно-песчаный раствор подают в скважину пневмонагнетателями ПН-1 и АПР-1. Анкер через четыре часа после установки выдерживает 5 тс.

1 – заостренный стержень периодического профиля; 2 – жесткий цементно-песчаный раствор; 3 – отверстие для подвески защитной сетки

Рисунок 9.54 – Конструкция распорного анкера

Анкер типа "Перфо" (рисунок 9.55) состоит из стальной трубки с толщиной стенок 2…3 мм, имеющей отверстия. Диаметр трубки должен быть меньше диаметра шпура на 3…4 мм. Такую трубку, заполненную раствором, вставляют в шпур и заклинивают в устье. Затем в трубку отбойным молотком забивают стержень периодического профиля или гладкий. При этом раствор выдавливается через отверстия трубки и заполняет пространство между стенками трубки и шпура.

1 – стержень периодического профиля; 2 – перфорированная трубка; 3 – пластичный цементно-песчаный раствор

Рисунок 9.55 – Фрагмент конструкции анкера «Перфо»

Анкеры располагают по возможности перпендикулярно слоям породы. В сводчатых выработках анкеры целесообразно располагать по радиальным направлениям. Шаг анкеров в поперечных рядах назначают по расчету. Расстояние между рядами анкеров увязывают с продвижением забоя за цикл так, чтобы в течение каждого цикла нужно было устанавливать одинаковое число анкеров.

Железобетонные анкеры обеспечивают надежную заделку в породах с коэффициентом крепости f  2, являются более долговечными. Они полностью заполняют шпур и способны работать на срез при смещении пластов породы.

Их недостатком является то, что они не обжимают породу, а всего лишь фиксируют состояние кровли выработки, не улучшая ее качественное состояние.

Таким образом, анкерная крепь является весьма эффективным видом временной крепи и может применяться в скальных породах любой крепости.

Одними из перспективных видов анкерной крепи являются сталеполимерные анкеры (СПА). Армирующий стержень такого анкера закрепляется в шпуре быстротвердеющими синтетическими смолами.

В настоящее время широко применяют патронированный способ использования синтетических составов, при котором закрепляющую смесь вводят в шпур в ампулах-патронах из целлюлозы, стекла или полиэтилена. Такая ампула (рисунок 9.56) представляет собой двухкамерную оболочку, одна из камер содержит смолу с наполнителем, другая — отвердитель-инициатор с модификатором.

Армирующий стержень анкера выполнен из стали периодического или гладкого профиля со скошенным концом. При вращении или забивании анкера скошенный конец стержня разрывает оболочку с закрепляющим составом и перемешивает его. При этом обеспечивается высокая степень сцепления стержня с породой.

Разработанные составы и технология возведения СПА позволяют применять их в сухих и обводненных шпурах, а также при отрицательной температуре грунта (до минус 10 С). Несущая способность СПА уже через 15 мин достигает 90 Н и в течение суток увеличивается до 200…250 кН.

а — введение в конец шпура ампулы-патрона с закрепляющим составом; б — введение в шпур анкерного стержня; в — вращение анкерного стержня с целью разрушения ампулы-патрона и перемешивания закрепляющего состава, досылка стержня до дна шпура; г — анкер в рабочем положении; 1 — полиэтиленовая ампула-патрон с закрепляющим составом; 2 — смесь связующего (смолы) и наполнителя (песка); 3 — отвердитель, заключенный во внутреннюю полиэтиленовую или стеклянную оболочку; 4 — анкерный стержень; 5 — уплотняющая шайба; 6 — натяжная гайка; 7 — плоский опорный элемент

Рисунок 9.56 - Схема установки сталеполимерного анкера

Сооружение тоннельной обделки

Устройство тоннельной обделки при сооружении тоннелей в полускальных, мягких и слабых породах осуществляется по частям в пределах зоны рабочей выработки (способы опорных стен), после раскрытия части профиля (способ защитного свода) или после раскрытия всего профиля как это предусмотрено при сооружении тоннеля способом полностью раскрытого профиля.

Сооружение обделки (рисунок 9.57) осуществляется с устройства рядом с тоннельными фермами металлических или деревянных кружал 2, на которые производят перекрепление прогонов постановкой вместо длинных стоек надкружальных 3 и подкружальных 1 стоек, называемых «мальчиками». В необходимых случаях ставят дополнительные надкружальные стойки для поддержания затяжки.

Бетонирование стен и свода обделки ведется слоями снизу вверх с последовательной установкой досок опалубки и заливкой ее бетоном. Одновременно снимают надкружальные стойки, до которых доходит уложенный бетон. Горное давление передается на схватившийся бетон. Надкружальные стойки снимаются в обязательном порядке. Прогоны разрешается оставлять в бетоне, если они не входят в расчетное сечение обделки. В замке свода бетон за опалубку нагнетается бетононасосами.

1- подкружальные стойки; 2- кружала; 3 – надкружальные стойки; 4 - бетон

Рисунок 9.57 – Бетонирование стен

П ри установке кружал в замке (рисунок 9.58) необходимо обеспечить запас на осадку, равный 0,5…1 % величины пролета и уменьшаемый до нуля у пят свода. Кружала ставят через 70…100 см. Толщина доски опалубки принимается равной 5…7 см и шириной 15 см. Со стороны бетона доски должны быть остроганы.

По мере бетонирования удаляют коротыши и верхние прогоны 1. Перед снятием прогона середину опирающихся на него марчеван поддерживают поперечиной, подпертой коротышом 2. Прогон вытягивают в соседнее кольцо, и бетонирование продолжают до следующего ряда коротышей.

1 – верхние прогоны; 2 – коротыш; 3 – надкружальные стойки; 4 – пространство, заполняемое бетонной смесью в продольном направлении

Рисунок 9.58 – Бетонирование замка свода

Когда бетонная смесь уложена до первой пары прогонов, поддерживающих верхняк, производят замыкание свода.

Средние части верхняков бетонируемого кольца подхватывают двумя длинными продольными досками, опирающиеся на кружала через коротыши. После снятия одного из прогонов бетонную смесь укладывают до линии коротышей, затем то же самое делают с другой стороны. В последнюю очередь снимают продольные доски и, поддерживающие их, коротыши. В дальнейшем ведут бетонирование в продольном направлении с последовательной установкой досок опалубки между смежными кружалами. Возведение обделки, связанное с удалением временной крепи, выполняют вручную с подачей бетонной смеси в вагонетках, так как для эффективного применения бетоноукладочных машин отсутствует достаточный фронт работ.

После набора бетоном достаточной прочности производят снятие кружал и разработку котлована под обратный свод.

Д ля примыкания обратного свода в фундаментах стен предусматривают опорные площадки (рисунок 9.59). Бетонирование ведут слоями по 20…30 см с постепенным наращиванием досок опалубки. По окончании бетонирования стен устанавливают кружала свода.

При проходке тоннеля в скальных породах тоннельная обделка сооружается, как правило, после разработки породы по всему профилю выработки.

Наибольшую механизацию работ по бетонированию обделки можно обеспечить при проходке в скальных породах без крепления выработки или только с контурной крепью. При этом укладку и транспортировку бетонной смеси выполняют с применением бетононасосов и бетононагнетателей, а передвижная опалубка обеспечивает достаточный фронт работы.

Механизированные способы укладки бетонной смеси требуют применения инвентарной передвижной опалубки, обеспечивающей необходимый фронт бетонирования, высокое качество и однотипность внутренней поверхности тоннеля, экономию материалов и транспортных средств и значительное ускорение работ.

1 – лекало; 2 – подкос; 3 – откос средней штроссы; 4 – подготовка; 5 – брус

Рисунок 9.59 – Устройство площадки для примыкания обратного свода

Передвижная опалубка, применяемая при бетонировании тоннельных обделок, должна иметь конструкцию, обеспечивающую ее удобное снятие и передвижение вслед за забоем, но не препятствующую перемещению по выработке породы и материалов. Тележка, поддерживающая опалубку, должна передвигаться по путям, охватывающим снаружи откаточные пути выработки, а в конструкцию опалубки должны входить шарнирные и другие устройства, позволяющие легко отделять опалубку от затвердевшего бетона.

Перечисленным требованиям удовлетворяют опалубки двух видов:

1. Опалубка, состоящая из секций (рисунок 9.60), смонтированная каждая на отдельной тележке и имеющих возможность небольших радиальных перемещений, достаточных для отрыва от готовой обделки.

1 - стальной лист по фермам; 2- стяжные устройства; 3- затяжка;

4- устройства для отрыва опалубки; 5- рама самоходной тележки

Рисунок 9.60 – Конструкция секционной опалубки

Секции опалубки последовательно устанавливают и бетонируют, от забоя по направлению к выходу из тоннеля (рисунок 9.61).

Рисунок 9.61 – Схема перестановки секций опалубки

После завершения бетонирования всех секций комплекта кольцо обделки 1, набравшее необходимую прочность, раскружаливают и перемещают в положение1¹, устанавливают и бетонируют. Затем процесс повторяют с секциями 2, 3 и т.д. Длина и число секций опалубки должны быть согласованы с заданной скоростью бетонирования и требуемого времени выдержки бетона в опалубке.

Такая опалубка может иметь жесткую конструкцию и перемещаться вперед без складирования, но каждая ее секция опирается на отдельную тележку, а ближайшая к забою секция должна иметь два торцевых щита, закрывающих зазор между ней и контуром выработки.

2. Телескопическая опалубка (рисунок 9.62), состоящая из нескольких секций, допускающих значительные смещения входящих в них элементов и имеющих лишь одну тележку для их складирования, перемещения под ранее установленными секциями и установки на новом месте.

1 - винтовая стяжка; 2- плита; 3- винт; 4- лебедка; 5- тележка; 6- домкраты; 7- лебедка; 8- секция; 9- винтовые домкраты; 10- инвентарная форма для бетонирования ниши

Рисунок 9.62 – Конструкция телескопической опалубки

При использовании такой опалубки ее секции, входящие в комплект, устанавливают и бетонируют поочередно в направлении продвижения забоя (рисунок 9.63). После приобретения кольцом обделки 1 необходимой прочности его раскружаливают и секцию опалубки в сложенном состоянии перемещают под секциями, установленными впереди, в новое положение 1¹.

Рисунок 9.63 – Схема перестановки секций телескопической опалубки

Применение телескопической опалубки более удобно, здесь достаточно одной тележки и каждая секция требует установки лишь одного торцевого щита, так как с одной стороны бетонируемой секции всегда имеется уложенный бетон. Подача бетонной смеси в секцию упрощается, так как передний ее конец всегда свободен.

При параллельной организации работ бетонирование в рассмотренных типах опалубки выполняют на таком расстоянии от забоя, которое определяется удобствами размещения комплекта проходческого оборудования и устройств подачи бетонной смеси. Передний участок выработки поддерживается временной контурной крепью, которая не всегда в состоянии предотвратить остаточные деформации кровли. В связи с этим целесообразно по возможности укорачивать этот участок до минимума.

Опалубка сборно-разборного типа (рисунок 9.64) допускает бетонирование на расстоянии 15…20 м от забоя, исключающем возможность повреждения бетона при взрывных работах. Комплект опалубки длиной 40 м состоит из сварных тюбингов с радиальными бортами, соединяемых болтами. Сборку опалубки выполняют в непосредственной близости от забоя укладчиком рычажного типа (эректором), перемещающимся по кронштейнам. Укладчик снабжен выдвижными платформами и может быть использован как буровая рама.

1- сварные тюбинги; 2- укладчик (эректор); 3- кронштейн

Рисунок 9.64 – Конструкция сборно-разборной опалубки

Недостатком такой опалубки является значительный объем работ по монтажу и демонтажу секций, элементы которых соединяются большим количеством болтов. Применение опалубки возможно, если прочность пород в кровле выработки не требует временного закрепления.

Бетонную смесь приготовленную, как правило, на поверхности доставляют к месту укладки в вагонетках или других транспортных средствах и разгружают в приемные бункеры бетононасосов или бетононагнетателей, которые далее перемещают бетонную смесь по стальным трубам - бетоноводам.

Бетононасосы обеспечивают подачу до 10 м³ бетонной смеси в час на расстояние до 200 м по горизонтали или до 35 м по вертикали. Они надежны в работе, их производительность не зависит от дальности подачи. Но к общим недостаткам относится быстрый износ цилиндра и вращающихся частей из-за абразивного воздействия бетонной смеси и необходимость очистки бетоновода при перерывах в работе.

В бетононагнетателях подача бетонной смеси осуществляется давлением сжатого воздуха. При тех же расстояниях доставки бетонной смеси они имеют производительность до 15 м³ в час. Бетононагнетатели более просты и дешевы, меньше подвергаются износу, обеспечивают очистку бетоновода от бетонной смеси после каждого цикла. Однако их производительность не является постоянной и уменьшается с увеличением дальности подачи.

При использовании бетононасосов уплотнение бетонной смеси достигается заглублением в нее конца бетоновода, обеспечивающим давление на опалубку 0,1…0,2 МПа (1…2 кгс/см²). В случае применения бетононагнетателей предельное давление на опалубку доходит до 0,7 МПа (7 кгс/см²). В процессе укладки дополнительное уплотнение бетонной смеси обеспечивается глубинными вибраторами с гибким валом, которые вводят через люки в опалубке, закрываемыми заслонками.

Бетононасосы или бетононагнетатели монтируют на самоходной бетоноукладочной установке, имеющей кран-балку, служащую для подъема транспортных средств доставки бетонной смеси и их выгрузки в приемные бункеры.

При бетонировании стен обделки на высоту до 5,5 м смесь подается за опалубку по двум бетоноводам, расположенным на высоте не более 2 м от низа выработки или поверхности ранее уложенного бетона.

Свод и верхние части стен бетонируют с помощью одного бетоновода расположенного в верхней части свода, с перемещением бетоноукладочной установки вперед на 1 м по достижении предельного давления бетонной смеси.

Бетонирование прекращается при появлении бетонной смеси на расстоянии 0,5 м от торцевого щита опалубки. Остающееся пространство заполняют смесью во время бетонирования замковой части следующей секции опалубки, обеспечивая, таким образом, связь между кольцами обделки.

Применяемая для укладки бетонная смесь должна обладать повышенной пластичностью (с осадкой конуса 7…9 см). Для получения такой смеси требуется расход цемента 280…330 кг/м³, с содержанием по массе цемента и песка не менее 42 %, применение гравия вместо щебня и оптимальное водоцементное отношение 0,5…0,6. Максимальная крупность зерен заполнителя составляет примерно 0,3…0,4 диаметра бетоновода.