Контрольные вопросы
Для чего применяют специальные способы работ?
В чем заключается сущность замораживания грунтов?
Какие виды водопонижения применяют в строительстве метро?
В каких случаях применяют цементацию грунтов?
В чем сущность химического закрепления грунтов?
Какие средства безопасности применяют при проходке тоннелей под сжатым воздухом?
Глава XII. Проходка шахтных стволов Шахтные стволы и способы их проходки
Проходка шахтных стволов составляет небольшую долю в общем объеме работ при строительстве метрополитенов, однако быстрое и успешное ее проведение сокращает общие сроки строительства, поскольку через шахтные стволы осуществляется разворот основных подземных работ.
Рис. 96. Шахтный ствол: 1 – воротник; 2 – вертикальный ствол; 3 – сопряжение ствола с околоствольными выработками; 4 – зумпф
По назначению различают рабочие шахтные стволы и вентиляционные. Рабочие шахтные стволы служат только для строительных целей. После окончания строительства их забучивают (заполняют кладкой, засыпают грунтом). Вентиляционные стволы являются постоянными сооружениями метрополитенов.
В больших вертикальных выработках на внешние нагрузки лучше работают обделки кругового очертания. Шахтные стволы, используемые при эксплуатации метрополитенов как вентиляционные, находятся в условиях знакопеременных температур, и их обделки требуют особо надежной гидроизоляции. Этим определяется преимущественное применение для шахтных стволов обделок из чугунных тюбингов. Типовой наружный диаметр стволов при строительстве метрополитенов принят равным 6 м.
Шахтный ствол (рис. 96) состоит из верхней части – устья (форшахты) с воротником, основной части – вертикальной протяженной закрепленной выработки, сопряжения ствола с околоствольными выработками и нижней части – зумпфа.
Воротник представляет собой конструкцию кругового очертания из бетона или железобетона, которая надежно закрепляет верхние кольца ствола в грунте и воспринимает часть веса обделки. В воротнике иногда размещают специальное оборудование, используемое при проходке ствола. Он ограждает устье ствола от стока поверхностных вод.
Сопряжение ствола с околоствольными выработками выполняют в виде бетонного раструба.
Зумпф ствола располагают на 2-3 м ниже уровня подошвы околоствольного двора. Он служит временным водосборником.
Комплекс размещенного в стволе оборудования, необходимого для обслуживания подземных работ в продолжение всего периода строительства, и поддерживающих его устройств называют постоянным армированием ствола. Сечение ствола разделяется на клетьевое, лестничное и лесоспускное отделения, а также отделения для размещения трубопроводов и кабелей (рис. 97).
В состав постоянного армирования ствола входят расстрелы – основные поддерживающие устройства клетьевого подъема и обшивки отделений ствола, проводники – направляющие для клетьевого подъема, оборудование лестничного и лесоспускного отделений, одна или две вентиляционные трубы, трубопроводы для водоотлива, сжатого воздуха и воды, а также постоянные силовые, сигнальные и осветительные электрокабели.
Расстрелы устанавливают по высоте ствола через каждые 3 м и крепят непосредственно к обделке. Деревянные проводники прикрепляют к расстрелам болтами. Трубопроводы крепят к обделке ствола при помощи хомутов, а электрокабели – посредством специальных кронштейнов и скоб. Ускорить подготовку ствола для ведения дальнейших подземных работ позволяет выполнение возможно большей части работ по его армированию в процессе проходки.
Шахтные стволы пересекают обычно разнородные грунтовые напластования, в том числе слабые неустойчивые и обводненные грунты. Поэтому при проходке стволов используют разные способы и часто применяют специальные способы работ: замораживание грунтов, цементацию и другие виды закрепления грунтов, искусственное водопонижение.
Стволы сооружают с последовательным монтажом колец обделки в призабойной части выработки (подводкой колец снизу) или способом опускной крепи с наращиванием колец сверху.
Способ подводки колец снизу (обычный) применяют при сооружении стволов в природно-устойчивых или искусственно закрепленных грунтах.
Способ опускной крепи применяют при проходке стволов в слабых неустойчивых грунтах. Одной из разновидностей способа является проходка с задавливанием крепи. В этом случае обделку устья ствола, имеющую несколько больший диаметр, используют в качестве неподвижной опорной части, а опускную крепь собирают в пределах нижнего ее участка. Чтобы не допустить обнажений вертикальных стенок выработки и выпуска грунта в забое, в нижней части опускной крепи делают ножевое кольцо из листовой стали. Крепь погружают, вдаливая гидравлическими домкратами, которые устанавливают на верхние фланцы тюбингов очередного собранного кольца обделки с упором в пакеты из двутавровых балок, раскрепленных в обделку устья ствола.
Рис. 97. Сечение шахтного ствола: 1 – лестничное отделение; 2 – лесоспуск: 3 ooo– клетевое отделение (на две клети); 4 – отделение для трубопроводов и кабелей; 5 – вентиляционная труба
Способ опускной крепи получил дальнейшее развитие в виде способа погружения крепи в тиксотропной оболочке. Сущность его состоит в том, что в процессе погружения зазор между крепью и грунтом заполняют тиксотропным раствором, резко снижающим сопротивление трения. Тиксотропный раствор готовят из специальных видов глин. Он обладает способностью сохранять длительное время свои свойства, т. е. не расслаивается: в нем не выделяется осадок и не отделяется вода. Оказывая давление на стенки выработки, он предотвращает их обрушение или оползание.
Применение тиксотропной оболочки коренным образом усовершенствовало способ опускной крепи, обеспечило необходимую его надежность, снизило затраты времени на сооружение стволов, уменьшило трудоемкость работ, повысило производительность и улучшило условия труда проходчиков.
Необходимым условием применения опускной крепи является наличие водоупора под толщей проходимых неустойчивых грунтов.
Стволы с наращиванием обделки сверху на полную глубину обычно не проходят: преодолев толщу слабых неустойчивых грунтов, дальнейшую проходку в плотных грунтах ведут обычным способом с монтажом обделки подводкой колец снизу.
Из специальных способов по предварительному закреплению грунтов наибольшее распространение при сооружении стволов получило искусственное замораживание грунтов. Оно эффективно при проходке стволов в водонасыщенных песках, слабых глинистых грунтах и плывунах. Этот способ успешно применяют при ведении проходческих работ вблизи от зданий и сооружений, позволяя обеспечить их сохранность и безопасность работ.
Цементацию и глинизацию применяют при проходке стволов в сильнотрещиноватых скальных грунтах, хорошо проводящих воду, и в крупнообломочных (например, гравелистых) грунтах с большим притоком воды в забой.
Искусственное понижение уровня грунтовых вод для снижения притока воды при проходке стволов ведут при помощи пробуриваемых с поверхности скважин и глубинных насосов.
Проходка шахтных стюлов обычным способом
Проходку стволов обычным способом ведут с использованием копра и постоянного шахтного подъема, обеспечивающего большую скорость выдачи грунта с помощью бадей. Для приема грунта и подачи в ствол тюбингов служат эстакады – бункерная и тельферная.
Копер возводят из тюбингов того же типа, какие используют для обделки ствола. Поскольку основанием копра служит устье ствола, копер является как бы продолжением обделки ствола.
Устье ствола сооружают в открытом котловане с использованием подвижного кранового оборудования. Котлован разрабатывают, как правило, без крепления с откосами, обеспечивающими устойчивость его стенок. Дно котлована зачищают вручную и выравнивают под рейку. На дне котлована устраивают кольцевую бетонную подготовку толщиной 15-20 см. После твердения бетона собирают кольца тюбинговой обделки, начиная с нижнего кольца и заканчивая верхним. Все свободное пространство между тюбинговыми кольцами и откосами котлована заполняют бетоном, который образует массивный воронкообразный воротник (см. рис. 96).
При разработке котлована с креплением кольцевой зазор между тюбингами и стенками выработки заполняют бетоном после монтажа каждого кольца, извлекая по возможности крепление, а для заполнения оставшихся пустот ведут нагнетание за обделку цементно-песчаного раствора.
Устье ствола, проходимого с предварительным замораживанием грунтов, сооружают обычно с воротником в виде кольцевой галереи, где размещают распределительный и коллекторный трубопроводы с отводами к замораживающим колонкам, которые пропускают через днище галереи.
Устье ствола перекрывают прочным настилом, оставляя в нем проем для пропуска бадьи и люк для спуска по лестничному отделению.
Проходку ствола обычным способом ведут при помощи проходческого подвесного полка (рис. 98), который одновременно служит постоянной защитой для работающих в забое. На полке обычно устанавливают редукторную лебедку для монтажа обделки, вентиля-тор,-выдвижную телескопическую лестницу для спуска людей в забой, электросборочный шкаф, насосы для откачивания воды из забоя.
К низу полка может быть прикреплен кольцевой монорельс и специальное приспособление с поворотными балками и электрическими талями для грейферного погрузчика и захвата тюбингов при монтаже обделки.
С подвесного полка ведут контрольное нагнетание и работы по армированию ствола, выполняемые одновременно с основными работами. При буровзрывных работах подвесной полок, находящийся на расстоянии нескольких метров от забоя, предохраняет от повреждения оставляемые на нем оборудование и рабочий инструмент.
В полке имеются отверстия с раструбами для пропуска бадьи и для вентилятора, люк для лестничного спуска, отверстия для пропуска троса редукторной лебедки и каната грейферного погрузчика (при подвеске его на длинном канате).
Полок подвешивают на тросах, закрепленных на барабане 5-тонной лебедки, установленной в верхней части копра.
Диаметр полка меньше внутреннего диаметра обделки. Это дает возможность периодически свободно опускать его на расстояние, соответствующее шагу установки расстрелов постоянной армировки (З м). В каждом новом положении полок раскрепляют на обделку при помощи выдвижных упоров.
Периодически опускаемый полок при отсутствии под ним грейферного погрузчика и другого подвесного оборудования постоянно находится на расстоянии 4-7 м от забоя. Если под полком имеется подвесное оборудование, то при ведении взрывных работ в забое полок поднимают на большее расстояние. При наличии грейферного погрузчика полок располагают на расстоянии 12-15 м от забоя.
Рис. 98. Подвесной механизированный полок для проходки ствола: 1 – тюбинговая обделка ствола; 2 – подвесной полок; 3 – упор; 4 – раструб для прохода бадьи; 5-рельсовые направляющие; 6 – прицепное устройство; 7-центральный узел; 8 – балка поворотная; 9 – таль электрическая; 10 – грейферное пневмопогрузочное устройство; 11 – бадья; 12 –– захват тюбинга нижнего (монтируемого) кольца; 13 – крюк для захвата бадьи; 14 – тельфер для установки тюбингов
Для устройства бадьевого отделения, крепления труб водоотлива, спуска материалов устанавливают элементы временного армирования ствола. При проведении гидроизоляционных работ, установке резервных насосов и других вспомогательных работах устраивают временные рабочие полки: на расстрелы постоянной армировки укладывают деревянные прогоны, по которым делают настил из досок.
В устье ствола и на верхней приемной площадке бадьевое отделение перекрывают металлическими или деревянными створками – лядами, автоматически открывающимися для пропуска бадьи.
Бадья перемещается по направляющим – проводникам постоянного армирования (клетьевым) или временным направляющим из рельсов или стального троса.
По условиям техники безопасности при проходке стволов применяют только опрокидные бадьи (с глухим дном). Для опрокидывания бадьи используют короткий канат, один конец которого прикреплен к копру, а второй оканчивается специальным крюком. Прицепив крюк к кольцу, находящемуся под дном бадьи, ослабляют подъемный канат, при этом корпус бадьи переворачивается, и грунт высыпается по лотку в бункер.
Проходку стволов ведут с водоотливом. При небольшом притоке воду из забоя удаляют бадьями, перекачивая ее в бадью из углубления в забое (водосборника) небольшим забойным пневматическим турбонасосом.
При больших притоках воду откачивают из забоя по трубам с помощью насосов центробежного типа, установленных на подвесном полке. При расстоянии до забоя, не превышающем 6-7 м, гибкий всасывающий шланг от насоса опускают в водосборник, куда стекает вода. При большем расстоянии до забоя насосы откачивают воду из промежуточного бака, куда он закачивается забойными насосами. Размеры водосборника для водоотлива 1 – 1,2м в плане, глубина 0,8-1,5 м.
Разработку забоя при проходке обычным способом ведут по-разному в зависимости от крепости и устойчивости грунтов. Пески и глинистые грунты разрабатывают отбойными молотками и другим ручным механизированным инструментом. Для разработки скальных грунтов и особо твердых глин применяют буровзрывной способ.
В достаточно устойчивых нескальных грунтах забой разрабатывают одновременными заходками на высоту одного кольца обделки. Забой доводят сразу до внешнего контура обделки с возможно меньшим перебором грунта.
Неустойчивые грунты разрабатывают уступами в две захватки (каждая на половину высоты кольца). Выемку грунта начинают от центра ствола и заканчивают у внутренней поверхности кольца, оставляя берму шириной 40-50 см. Дальнейшую разработку грунта ведут по мере установки тюбингов. При возможных вывалах грунта устанавливают временное крепление из досок, концы которых заводят за ранее собранное кольцо обделки.
Разработку грунта буровзрывным способом ведут, как правило, заходками, соответствующими высоте одного кольца обделки. При составлении паспорта буровзрывных работ учитывают не только крепость грунтов и их трещиноватость, но и близость расположения жилых зданий на территориях, примыкающих к шахтной площадке.
В зависимости от крепости грунтов забой обуривают перфораторами, пневмо– или электросверлами. Буры применяют длиной от 1,3 до 1,5 м. Пробуренные шпуры забивают деревянными колышками для предохранения от засорения и быстрого обнаружения при заряжании.
Шпуры располагают по трем или четырем концентрическим окружностям. При расположении шпуров по трем окружностям по первой окружности диаметром 2 м располагают 4-6 врубовых шпуров, по второй диаметром 4м– 10-12 отбойных шпуров и по третьей диаметром 5,5 м-16-17 контурных. Врубовые шпуры бурят с наклоном 60-75° к центру ствола, отбойные – с меньшим наклоном в ту же сторону или вертикально, а контурные-с наклоном во внешнюю сторону. При расположении шпуров по четырем окружностям число их доводят до 50.
По окончании бурения бадью, насосы, осветительное и другое оборудование, а также рабочий инструмент поднимают на полок. По сигналу взрывника все рабочие поднимаются на поверхность. Взрывники заряжают шпуры и проверяют электрические цепи, после чего поднимаются на поверхность. Взрывание шпуров производят в один прием с применением электродетонаторов не менее чем четырех ступеней замедления. Первыми одновременно взрывают врубовые шпуры, создавая вторую обнаженную плоскость, через 2 с одновременно или последовательно – отбойные шпуры и в последнюю очередь по частям – контурные.
После взрывания проветривают забой, опускают необходимое оборудование и рабочий инструмент, откачивают воду из забоя и начинают новый цикл работ. Взорванный грунт убирают при помощи пневматических погрузчиков грейферного типа с ручным во-дилом. Уборку грунта совмещают по времени с его разработкой, монтажом обделки ствола, а при проходке взрывным способом – с бурением шпуров на новую заходку.
Тюбинги опускают в ствол шахты при помощи траверсы, подвешиваемой на канате подъемной машины. Для подачи тюбингов в забое к месту их установки и для монтажа используют редукторную лебедку, установленную на подвесном полке, или тельферный укладчик под полком.
При монтаже обделки тельферным укладчиком применяют специальный захват. Боковые поверхности поданного к месту установки тюбинга очищают от грязи и масла и приподнимают его до совмещения болтовых отверстий ранее установленного кольца со штырями захвата. Отверстия центрируют оправками и тюбинг закрепляют болтами. Захват освобождают и начинают установку следующего тюбинга.
Первичное нагнетание цементно-песчаного раствора ведут за каждое собранное кольцо. При необходимости выправить дальнейшую проходку ствола, сооружаемого в достаточно устойчивых грунтах, собирают без нагнетания 3-4 кольца, подправляют при помощи распорок и клиньев положение нижнего кольца и после этого производят нагнетание за собранные кольца, начиная с нижнего и заканчивая верхним.
Первичному нагнетанию предшествует работа по устройству пикотажа – заделке зазора между тюбинговым кольцом и грунтом в нижней части кольца. Для пикотажа используют паклю, древесные стружки, которые уплотняют короткими досками и клиньями.
Контрольное нагнетание ведут обычно с подвесного полка, т. е. с некоторым отставанием от забоя. При необходимости его проводят повторно с рабочих полков в процессе гидроизоляционных работ. Для первичного и контрольного нагнетания используют нагнетательные аппараты, установленные в растворном узле на поверхности.
Особо важное значение имеет тщательное заполнение пустот за обделкой при проходке в замороженных слабых неустойчивых грунтах. Чтобы исключить подвижки грунта при размораживании, нагнетание следует полностью заканчивать до его оттаивания. Растворы для нагнетания готовят с добавками, предотвращающими их замерзание и ускоряющими процесс схватывания. По выходе из инъектора раствор должен иметь температуру не менее 20 °C.
Гидроизоляционные работы при проходке стволов выполняют по-разному в зависимости от назначения ствола и степени обвод-ненности грунтов. В рабочих стволах при отсутствии притока воды гидроизоляционные работы не ведут. Обделку вентиляционных стволов в таких условиях гидроизолируют обычно в конце строительства после разборки постоянного армирования ствола.
В обводненных грунтах или замороженных водонасыщенных песках и плывунах гидроизоляционные работы выполняют в процессе проходческих работ. Это дает возможность уменьшить приток воды в ствол и улучшить условия труда проходчиков, исключить вынос частиц оттаявшего грунта, образование пустот и подвижки грунтового массива за обделкой. В этих условиях при монтаже обделки устанавливают сразу полные болтовые комплекты с гидроизоляционными шайбами, а контрольное нагнетание проводят в непосредственной близости от забоя с подвесного полка. Дополнительное контрольное нагнетание для уменьшения притока воды, подтяжку болтов и, если это необходимо, замену болтовых комплектов, а также чеканку швов тюбинговой обделки с предварительной очисткой их пескоструйным аппаратом ведут с временных рабочих пойков. Чеканку производят сначала свинцовой проволокой или освинцованным шнуром, а затем расширяющимся или безусадочным цементом. Чеканку цементными составами разрешается вести при температуре воздуха в стволе не ниже +5 &dec;С.
Рис. 99. Опорный воротник шахтного ствола и домкратная система: 1 – домкрат; 2 – пакет балок; 3 – бетонный опорный воротник; 4 –г стойка, заан-керенная в бетон; 5 – глинистый тиксо-тропный раствор; 6 – тюбинговое кольцо опускной крепи ствола
Рис. 100. Схема соединения ножевого и уплотняющего колец: 1 – тюбинг обделки ствола; 2 – промежуточная вставка; 3 – ножевое кольцо; 4 – защитное наружное кольцо; 5 – уплотнительная манжета; 6 – уплотнение из жирной глины; 7 – тиксотропный раствор
При проходке стволов с применением буровзрывных работ гидроизоляционные работы ведут с временных полков на расстоянии 20-30 м от забоя, чтобы не расстраивать чеканку при взрывании.
В конце строительства в вентиляционных стволах производят ремонт гидроизоляции. Эту работу, как и гидроизоляцию вентиляционных стволов, в которых она не выполнялась, осуществляют обычно с временных полков, укладываемых на расстрелы.