3.2. Обделки перегонных тоннелей

Выбор материалов для обделок. Материалы для тоннельных обделок должны быть прочными, огнестойкими, в минимальной степени подверженными выветриванию и коррозии. Обделка является постоянной конструкцией, предназначенной для закрепления внутренней поверхности горной выработки и придания ей правильного, соответствующего проекту очертания. Обделка тоннеля должна воспринимать горное давление по контуру выработки (т.е. давление окружающих выработку пород), гидростатическое давление подземных вод, временные нагрузки, передаваемые с поверхности земли (при мелком заложении тоннеля), сейсмические воздействия и другие нагрузки. Обделка является несущей конструкцией, она должна обладать достаточной прочностью, устойчивостью и водонепроницаемостью. Поэтому при выборе конструкции и материалов обделок тоннелей метрополитенов учитываются: геология и гидрогеология участка строительства, глубина заложения тоннелей, габарит приближения строений, климатические и сейсмические условия, эксплуатационные требования, способы производства работ, трудоемкость возведения обделок и их стоимость.

Для устройства обделки тоннелей метрополитенов используют сборные чугунные или железобетонные элементы, а также монолитный бетон и железобетон. Эти материалы достаточно прочны и долговечны и позволяют вести работы с высокой степенью механизации. Для перегонных тоннелей широко применяют сборные обделки из железобетонных блоков, а в осложненных гидрогеологических условиях строительства (при неустойчивых обводненных грунтах, большом гидростатическом напоре воды и большом горном давлении) – сборные обделки из чугунных тюбингов.

Обделки тоннелей мелкого заложения, сооружаемых открытым способом, выполняют из сборных железобетонных крупноразмерных конструкций. Обделки из монолитного бетона и железобетона устраивают при сооружении выработок больших поперечных размеров – односводчатых станций, камер съездов, раструбных участков. Для перегонных тоннелей монолитный бетон применяют для обделок, возводимых из прессованного бетона.

Обделки тоннелей, сооружаемых закрытым способом. Сборные обделки состоят из отдельных элементов заводского изготовления. Обделки кругового очертания состоят из ряда колец, собранных из отдельных блоков или тюбингов. Блоком называют элемент сплошного сечения с гладкими поверхностями, тюбингом – элемент с ребристой внутренней поверхностью. Грани блоков и тюбингов, по которым они соединены в кольцо (направленные параллельно оси тоннеля), называют продольными, или радиальными, а грани, соединяющие отдельные кольца между собой (перпендикулярные оси тоннеля) – поперечными или кольцевыми (круговыми). Сборная чугунная обделка тоннеля (рис. 3.5) представляет собой ряд соединенных в трубу широких колец, каждое из которых собрано из отдельных элементов – тюбингов (называемых иногда сегментами).

Рис. 3.5 Сборная тоннельная обделка из чугунных тюбингов: 1 – нормальные (обычные) тюбинги Н; 2 – смежные с ключевыми тюбинги С; 3 – ключевой (замыкающий или замковый) тюбинг 3; 4 – рельсовый путь; 5– бетонное основание пути

Чугунный тюбинг (рис. 3.6) имеет вид ребристой коробки, дно которой – спинка тюбинга – выполнено по круговой кривой, соответствующей радиусу кольца обделки тоннеля. Тюбинг имеет два радиальных (продольных) борта, плоскость которых образует продольные стыки (швы) в готовой обделке, а также два кольцевых (поперечных) борта, которые в готовой обделке образуют кольцевые стыки (швы). Края бортов тюбинга, обращенные внутрь кольца обделки, имеют специальные выемки – фальцы, которые при сборке обделки образуют так называемые чеканочные канавки. Внутри тюбинга, между радиальными и кольцевыми бортами, расположены упрочняющие перегородки – ребра жесткости: кольцевое и 2-3 (в зависимости от конструкции тюбинга) радиальных (узкий ключевой, или замковый, тюбинг радиальных ребер жесткости не имеет). Болтовые отверстия в бортах тюбинга служат для соединения смежных тюбингов в кольцо, а колец – в обделку тоннеля. В спинке тюбинга имеется завинчивающееся металлической пробкой отверстие для нагнетания за обделку специальных уплотняющих и гидроизолирующих растворов.

Кольцо обделки собирают из тюбингов разных типов (см. рис. 3.5). Нормальные тюбинги 1 имеют радиально направленные продольные борта. Верхний ключевой (замыкающий) тюбинг 5, которым замыкают кольцо (изнутри тоннеля) при его сборке, имеет скошенные продольные борта, придающие тюбингу клиновидную форму. Два тюбинга 2, смежных с ключевым, имеют по одному скошенному борту. Тюбинги, поступающие с завода, имеют маркировку: нормальные – Н, смежные – С и ключевые – К.

Число элементов в кольце зависит от его диаметра и конструкции обделки. Для перегонных тоннелей метрополитена приняты стандартные размеры колец из чугунных тюбингов: ширина (измеряется вдоль тоннеля) 1 м, наружный диаметр 5,5 м, внутренний диаметр 5,1 м, высота бортов 0,2 м.

Рис. 3.6 Чугунный тюбинг: 1 – радиальный (продольный) борт; 2 – кольцевой (поперечный) борт; 3 –– болтовое отверстие; 4 – ребро жесткости; 5 – спинка тюбинга; 6 – фальцы; 7 – отверстие для нагнетания уплотняющих и гидроизолирующих растворов

Размеры отверстий для болтов, скрепляющих тюбинги, для облегчения сборки приняты на 4-6 мм больше диаметра болтов. Для обделок наружным диаметром 5,5 м применяют болты диаметром 27 мм и длиной 120 мм, а для обделок наружным диаметром 6 м – болты диаметром 30 мм и длиной 130 мм.

На кривых участках пути (как в плане, так и в профиле) при сборке тюбинговых колец тоннеля применяют чугунные клиновидные прокладки с отверстиями, которые позволяют собирать кольца переменной ширины.

Сборная железобетонная обделка, так же как и чугунная, состоит из ряда колец. Каждое кольцо собирают из отдельных железобетонных элементов (тюбингов или блоков), которые могут быть сплошного или ребристого сечения. В первом случае обделка имеет гладкую внутреннюю поверхность. Размеры кольца такой обделки аналогичны размерам кольца обделки из чугунных тюбингов.

Обделку из железобетонных блоков монтируют без перевязки швов. Сопряжение блоков в кольце из элементов сплошного сечения осуществляют по цилиндрическим поверхностям: в одном случае она выпуклая, в другом – вогнутая. Кольца друг с другом в продольном направлении не соединяют. Во избежание просадок колец лотковые блоки смежных колец соединяют двумя металлическими штырями по кольцевому борту. Конструкция обделки с элементами ребристого сечения более удобна для сборки. Кольцевые борта таких блоков имеют отверстия для установки монтажных шпилек, обеспечивающих соединение монтируемых колец друг с другом в продольном направлении.

Существует также конструкция железобетонных тюбингов с плоскими стыками и болтовыми связями.

Для исключения трудоемких работ по очистке лотковой (нижней) частей тоннеля взамен тюбинга ставят плоский железобетонный лотковый блок с плитой.

При сооружении тоннелей из сборных железобетонных обделок на кривых участках применяют специальные угловые кольца или железобетонные угловые прокладки, состоящие из отдельных элементов. При традиционном способе сооружения тоннелей сборные обделки могут обжиматься нагнетанием песчано-цементного раствора в зазор между наружной поверхностью обделки и внутренней поверхностью выработки, пройденной в породе.

В определенных условиях (в устойчивых, обладающих достаточной прочностью грунтах) может быть применен и другой способ – обжатие обделки в грунт. Плотное прижатие блоков обделки к контуру выработки исключает процесс первичного нагнетания, уменьшает или исключает осадки земной поверхности, улучшает устойчивость породного массива. Для обжатия обделки в породу необходимо, чтобы выработка имела правильный контур, совпадающий с наружным контуром обделки. Такой контур выработки получают при использовании проходческих механизированных щитов в плотных устойчивых грунтах.

Обделку собирают из блоков сплошного сечения с цилиндрическими стыками по продольным бортам. Разжимающие устройства могут располагаться в своде, на горизонтальном диаметре или в лотковом блоке. Разжатие блоков можно осуществлять с помощью гидравлических домкратов, рычажных устройств или вдавливанием клиновидного блока. Заделка и фиксация разжатых стыков производятся разными способами: заполнением зазоров монолитным бетоном, забивкой клиньев, установкой вкладышей.

Бетонные монолитные обделки тоннеля сооружают из монолитного бетона с использованием переставной опалубки. Для перегонных тоннелей метрополитена принято круговое очертание таких обделок с внутренним диаметром 5,5 м.

Также применяется технология и оборудование для возведения монолитно-прессованной бетонной обделки тоннеля при щитовой проходке. Бетонирование ведут в жесткой металлической переставной опалубке одновременно по всему поперечному сечению конструкции, затем бетонную смесь прессуют с помощью специальных домкратных устройств. Прессованный бетон имеет повышенные прочность, плотность и водонепроницаемость. Применение такой конструкции исключает работы по нагнетанию растворов за обделку и чеканке швов.

Конструкции обделок тоннелей открытого способа работ. Возводимые в котлованах обделки выполняются из сборного железобетона прямоугольного очертания рамной конструкции. Они могут быть одно-, двух- и многопролетными. Монолитные обделки применяются редко: на участках камер съезда, раструбах, в местах сопряжения различных типов обделок.

Сборная обделка тоннеля открытого способа работ (рис. 3.7) состоит из укрупненных блоков (стенового 1, перекрытия 2 и лоткового 4), которые монтируют в тоннельную секцию с помощью крана, расположенного на земной поверхности. Отдельные блоки соединяют путем сварки выпусков арматуры, стыки между блоками и швы между секциями омоноличивают или зачеканивают расширяющимся цементом.

Рис. 3.7 Обделка однопутного перегонного тоннеля открытого способа работ из сборного железобетона: 1 – стеновой блок; 2 – блок перекрытия; 3 – бетонное основание под путь; 4 – лотковый блок

Заводы железобетонных изделий выпускают и готовые секции (рис. 3.8) – железобетонные прямоугольные рамные конструкции. Их длина 1,5 м, высота 5 м, ширина 4,4 м, масса 13,3 т. Из таких секций монтируют обделку как однопутных, так и двухпутных тоннелей.

Секции устанавливают в котловане на подготовленное основание свободно вплотную друг к другу и образуют один или два тоннеля прямоугольного очертания. В продольном направлении секции друг с другом соединяют при помощи стяжных болтов или стальных полос, привариваемых к металлическим закладным деталям секций. В местах поворота тоннеля в плане или профиле ставят угловые секции, имеющие скошенные по периметру края.

Рис. 3.8 Обделка перегонных тоннелей открытого способа работ из цельных секций:

а – для однопутного тоннеля; б – для двухпутного тоннеля