6. Сооружение тоннелей в слабых, мягких и полускальных породах. Раскрытие выработки по частям. Способы: опертого свода и его разновидности; полностью раскрытого профиля; способ ядра с податливой оболочкой. Крепление элементов раскрытия – малой, средней и большой калотты и штроссы.

В полускальных и мягких породах для сооружения тоннелей применяют преимущественно способ опертого свода, реже — способ полностью раскрытого сечения, в слабых породах — способ опорного ядра. Закрепляют выработки обычно с помощью деревянной веерной крепи, получившей свое название по расположению стоек (штендеров), поддерживающих кровлю и лежащих в одной плоскости, в направлении от середины к контуру сечения.

Способ раскрытия выработки на полное сечение по частям

Этот способ предусматривает разработку грунта и установку временного крепления по отдельным частям сечения при движении сверху вниз, что обеспечивает в конце разработки раскрытие выработки полностью на все сечение тоннеля в пределах одного кольца шириной 2-4 м в зависимости от геологических условий. После разработки грунта приступают к возведению обделки из монолитного бетона или из сборных элементов, двигаясь снизу вверх.

Существует несколько вариантов производства работ по этому способу: раскрытие на полное сечение (полный профиль) с применением веерного крепления (так называемый австрийский способ), раскрытие на полное сечение по частям с креплением прогонами и торцовыми фермами (английский способ), способ подсводного разреза и др.

Преимущество этих способов состоит в том, что представляется возможность осуществлять возведение обделки без перерывов (что повышает ее качество), а также использовать сборную обделку. Применяются эти способы в основном в устойчивых необводненных грунтах, глинах, сланцах, мергелях в тех случаях, когда нет большого давления на крепь. Однако способ раскрытия на полное сечение с использованием веерного крепления отличается наибольшей трудоемкостью, большим расходом лесоматериалов, сложностью устройства крепления. Возникающие в процессе строительства работы по перекреплению выработок могут привести (при наличии горного давления на крепь) к деформации торного массива и поверхности. Поэтому этот способ при строительстве метрополитенов не применяют.

Раскрытие на полное сечение по частям с креплением прогонами и торцовыми фермами применяют при сооружении первых (прорезных) колец сборной обделки камер для монтажа щита или тюбингоукладчика, а также при сооружении других камер и участков тоннелей небольшой протяженности, главным образом со сборной обделкой.

ОПЁРТОГО СВОДА СПОСОБ— поэтапное сооружение горной выработки (без раскрытия её сразу на всё сечение), начинаемое с проходки верхней части профиля выработки и возведения свода её постоянной конструкции, опираемого пятами на породу. Применяют в породах, способных воспринять давление в пятах возводимого свода до подведения под него стен, но по условиям безопасности или из технологических соображений, не допускающих раскрытия выработки на всё сечение. Опертого свода способ (также называется бельгийским способом проведения горных выработок) впервые использован в Бельгии в 1828 и в дальнейшем получил распространение при строительстве транспортных тоннелей, метрополитенов и других крупных подземных сооружений.  Различают две классические схемы опертого свода способа производства работ: одноштольневую и двухштольневую (рис. 1, а, б).  Одноштольневая схема обычно применяется при строительстве тоннелей небольшой длины (до 500 м) в необводнённых грунтах. По этой схеме первоначально проходят верхнюю штольню на всю длину тоннеля или на его части длиной 20-30 м с тем, чтобы начать работы по верхнему расширению (устройству калотты) одновременно в нескольких участках (кольцах). Количество таких участков принимают в зависимости от заданного темпа работ; длина каждого 6,5 м. Все работы по возведению свода обделки ведутся только со стороны верхней штольни, являющейся основной транспортной выработкой. Высоту верхней штольни задают с таким расчётом, чтобы после постановки кружал (для возведения свода) расстояние от их низа до подошвы штольни составляло не менее 1,7 м. Ширина штольни в свету обычно 1,8-2 м.  В разработанных верхних участках (калоттах) возводят бетонный свод, опирая его пятами на породу. После того как бетон наберёт достаточную прочность, производят дальнейшую разработку тоннельного профиля: сначала ядра, а затем боковых частей (боковых штросс), разбивая их на участки в шахматном порядке (рис. 2).  После сооружения стен дорабатывают нижнюю часть профиля и возводят обратный свод.  При двухштольневой схеме (рис. 1, б) сначала проходят нижнюю штольню на всю длину тоннеля, а затем приступают к проходке верхней штольни. Наличие нижней штольни позволяет улучшить условия вентиляции выработок, облегчить работу подземного транспорта за счёт разделения грузопотоков, создать лучшие условия для постепенной разработки дополнительных участков по расширению тоннельного профиля, осушить верхние пласты пород, обеспечить более тщательную разведку горного массива и при необходимости своевременно внести изменения в рабочий проект.  Расширение верхней части тоннельного профиля осуществляют со стороны верхней штольни. Породу спускают в нижнюю штольню через сквозные воронки (фурнели), пробиваемые с интервалом 6,5-13 м по мере продвижения забоя. Высота нижней штольни принимается 2-2,25 м, ширина в свету 2-2,5 м. Закрепляют выработки деревянной или металлической арочной крепью. Разработка верхнего расширения тоннельного профиля ведётся через 1-2 кольца (с оставлением целика длиной 6-12 м) во избежание интенсивного развития горного давления и в целях соблюдения безопасности при производствебуровзрывных работ. Выемка породы под стены обделки ведётся отдельными столбами шириной 2-3 м в шахматном порядке. Первые участки боковых целиков разрабатывают под швами колец свода, располагая вертикальную ось участка по шву в своде. Во время разработки бокового участка пяты свода подкрепляются подкосами (рис. 3).  Сразу же после образования выработки укладывают бетон, доводя его вплотную к пяте свода. Боковые участки целиков, расположенные с противоположной стороны или рядом с готовыми участками стен, разрабатывают после того, как бетон на этих участках стен наберёт достаточную прочность. Обратный свод обделки устраивают после возведения стен. Если имеется боковое горное давление, то перед началом выемки породы в подошве тоннеля стены раскрепляют поперечными брёвнами или стальными балками. Разработка породы ведётся поперечными полосами шириной 2 м с последующей укладкой бетона по лекалу.  С внедрением в практику строительства высокопроизводительных крупногабаритных механизмов и облегчённых типов временной крепи (арочной, анкерной, набрызг-бетонной) шире применяется вариант опертого свода способа с опережающей калоттой, проходку которой ведут сплошным забоем с возведением свода (в зависимости от устойчивости грунтов) на удалении до 50-70 м от забоя либо после проведения калотты на всю длину тоннеля. Разработку штросс и подводку стен под забетонированные своды выполняют в обычном порядке.  Достоинства опертого свода способа: быстрое закрепление постоянной крепью кровли выработки и уменьшение её осадок, безопасность работ под готовым сводом. Основной недостаток — возможность неравномерных осадок, а также деформаций от бокового давления грунта, способных стать причиной появления трещин в бетоне и разрушения свода.

Способ полностью раскрытого сечения. Этот способ применяют в двух вариантах: с поточным или кольцевым развертыванием работ по длине выработки.

В первом случае (рис. 157) раскрытие сечения начинают с рассечки верхней штольни 2, производимой из нижней направляющей штольни 1.

После проходки верхней штольни не менее чем на три кольца каждое длиной < 4 м (и не более чем на 40—50 м) производят раскрытие малой калотты 3, а после продвижения забоя штольни еще на три кольца — большой калотты 4 с соответствующим понижением подошвы выработки (см. рис. 120 и 121). Стойки штольневых рам и ферм малой калотты располагают в разных плоскостях в соответствии со схемой полной крепи выработки, показанной на рис. 159.

Следующей стадией работ является подготовка основания в нижней штольне для опирания крепи полностью раскрытой выработки. Для этого в плоскости ферм малой калотты укладывают лежаки — бревна диаметром до 50 см, отесанные на два канта. Верх лежаков должен совпадать с верхом лежней рам нижней штольни (рис. 158).

После выломки штроцетты 5 (см. рис. 157) устанавливают средние подшвеллерные столбы так, чтобы они составляли продолжение первых стоек штендеров) фермы большой калотты, поддерживающих наиболее нагруженные прогоны. Далее от центра к периферии кольца производят разработку боковых частей штроссы 6 с постановкой подшвеллерных столбов, вторую пару которых ставят вертикально (рис. 159). Введение подшвеллерных столбов в работу достигается забивкой клиньев между их верхними концами (столбы ставят широкой частью кверху) и нижней гранью швеллера большой калотты. При помощи подшвеллерных столбов полностью воспринимается и передается на лежаки нагрузка, действующая на крепь большой калотты.

По мере разработки частей штроссы, примыкающих к контуру выработки устанавливают новые пары прогонов, распираемых при помощи подкосов в подшвеллерные столбы, между которыми забивают горизонтальные распорки, обеспечивающие поперечную передачу бокового давления.

Установку крепи ведут последовательно от середины кольца в обе стороны с постепенной передачей нагрузки на тоннельные фермы полного профиля. Все элементы полученной таким образом полной тоннельной фермы распирают в продольном направлении с помощью распорок, устанавливаемых «в шор» и соединяемых скобами.

Сооружение обделки 7 (см. рис. 157) начинают с подготовки под фундаменты стен и бетонирования последних с оставлением опорных площадок штраб) для примыкания обратного свода 9. Стены бетонируют по лекалам, устанавливаемым через 70—100 см между тоннельными фермами, с постепенным наращиванием дощатой опалубки и удалением подкосов, коротышей и прогонов. По окончании бетонирования стен устанавливают кружала свода.

Деревянные кружала устраивают с сечением в три доски из косяков толщиной 5—7 см, соединенных нагелями с накладками, и опирают на клинья. При установке кружал в замке необходимо обеспечить запас на осадку, равной 0,5—1% величины пролета (в зависимости от горного давления) и уменьшаемый до нуля у пят свода.

Стальные кружала арочного типа (из прокатных профилей) более целесообразны, чем деревянные. Их достоинствами являются легкость, компактность и экономичность, возрастающая с увеличением длины тоннеля в связи с возможностью многократного использования.

Кружала опираются на продольные брусья, укладываемые по швеллерам большой калотты, и поддерживаются подкружальной крепью. После постановки между кружалами и всеми верхними прогонами надкружальных стоек-коротышей («мальчиков») нагрузка от горного давления передается на кружала и отпадает необходимость в стойках большой калотты, которые снимают по мере бетонирования свода. Последнее ведется радиальными слоями толщиной 20—30 см с постепенной укладкой досок опалубки.

При расстоянии между кружалами до 100 см доски опалубки должны иметь толщину 5—7 см и ширину до 15 см для получения более правильной поверхности обделки. По тем же соображениям доски простругивают со стороны бетона.

По мере бетонирования удаляют коротыши 3 и верхние прогоны 1 (рис. 160). Перед снятием прогона середину опирающихся на него досок поддерживают при помощи поперечины, подпертой вспомогательными коротышами 2. Прогон вытягивают в соседнее кольцо выработки и бетонирование продолжают до ряда вспомогательных коротышей. После снятия последних бетонную смесь укладывают до следующего верхнего прогона, и процесс повторяется. Перерыв в укладке отдельных слоев бетонной смеси при температуре 15—20° С не должен превышать соответственно 3—2 ч, так как каждый последующий слой должен быть уплотнен до начала схватывания ранее уложенного слоя.

Когда бетонная смесь уложена до первой пары прогонов, поддерживающих верхняк, производят замыкание свода (рис. 161). Средние части верхняков бетонируемого кольца подхватывают двумя длинными досками, опирающимися на кружала с помощью коротышей. После снятия одного из прогонов бетонную смесь укладывают до линии коротышей, затем то же самое делают с другой стороны. Последним этапом является снятие поддерживающих досок и коротышей. Дальнейшее бетонирование ведут в продольном направлении с последовательной установкой досок опалубки и между смежными кружалами. Свод раскружаливают в сроки, установленные нормами, путем симметричного выбивания клиньев из-под стоек, поддерживающих кружала.

Новый вариант метода опорного ядра. Этот метод (рис. 121) 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. По такой технологии сооружают односводчатые станции.

7. Проходка (сооружение) тоннелей в скальных породах. Конструкции контурных временных крепей – деревянная полигональная, металлическая арочная, анкерная, набрызг-бетонная. Раскрытие выработок на полный профиль или крупными элементами. Способы сплошного забоя, ступенчатого забоя, верхнего или нижнего уступа, подсводного разреза и центральной штольни.

Крепь — искусственное сооружение, возводимое для предотвращения возможности обрушения окружающих горных пород в горных выработках, а также при строительстве шахт, тоннелей и метрополитенов и др. подземных объектов. Конструкция крепи зависит от площади и формы поперечного сечения горной выработки, величины и характера горного давления, срока службы и других факторов.

По сроку службы

Различают временную и постоянную крепь (обделку). В связи с тем, что при проведении капитальных выработок возведение постоянной крепи вслед за подвиганиемзабоя мешает работам по выемке и погрузке породы, на участке длиной 40—60 м устанавливается временная крепь, а затем она заменяется постоянной.

Как правило, временная крепь выполняется в виде деревянных или инвентарных облегченных металлических рам. Наружным очертанием временной крепи считается верхняя граница марчеван.

По материалу

Крепи подразделяют на деревянную, металлическую (из стали, легких сплавов), анкерную, каменную (из естественных и искусственных камней), бетонную,железобетонную (монолитную, из отдельных блоков или элементов), смешанную (комбинированную).

Деревянную крепь в основном применяют в выработках небольшого сечения и с небольшим сроком службы.

Разновидностями бетонной крепи являются: торкрет (заполнитель цементного раствора имеет крупность 0—8 мм); набрызг-бетон (заполнитель цементного раствора имеет крупность от 10 мм до 25 мм) и тюбинговая — крепь из составных частей (бетонных или металлических), связанных между собой болтами или другим крепежом.

Анкерная крепь использует породу слоёв за контуром выработки для удержания породы по контуру выработки, поэтому её применение позволяет сократить металлоемкость крепления при повышении темпов проходки; однако возможно только при проходке тоннелей в скальных и полускальных породах, устойчивых и средней устойчивости; в более слабых породах анкерную крепь применяют совместно с набрызг-бетонной или металлической арочной крепью.

По форме сечения выработки

Различают трапециевидную, арочную (замкнутую и незамкнутую), кольцевую, эллиптическую, полигональную. Это, как правило, рамная крепь, состоящая из отдельных крепежных рам, устанавливаемых в выработке на некотором расстоянии одна от другой. Кровля и бока выработки в промежутках между рамами закрепляются затяжками. От продольного смещения рамы удерживаются рошпанами, представляющими собой поперечину, соединяющую соседние рамы. Это придает конструкции жесткость и стабильность.

По характеру работы

В зависимости от способа соединения элементов крепи подразделяются на жесткие, шарнирные, податливые и комбинированные.

Податливые крепи выполняются из спецпрофиля (например, СВП-профиля) и способны сокращать поперечное сечение выработки под действием горного давления без нарушения работоспособности конструкции. Податливость достигается за счёт скольжения элементов крепи в местах их соединения. Установка такой крепи выполняется обычно вручную. Использование специальной техники в настоящее время позволяет лишь ненамного повысить производительность труда, что не оправдывает стоимость устройства такой крепи.

По роду выработок

Подразделяются на крепь капитальных, подготовительных, нарезных и очистных, горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок.

Крепи стальные инвентарные также используются для прокладки и ремонта инженерных коммуникаций открытым способом.

Крепление горных выработок является наиболее распространенным способом их поддержания и представляет собой совокупность работ по возведению горной крепи. Крепью называют искусственное сооружение, предназначенное для сохранения необходимых размеров выработок и предотвращения обрушения вмещающих пород. Крепежные материалы – материалы, применяемые для изготовления крепи горных выработок. По назначению они классифицируются на: основные, вяжущие и вспомогательные. Основные – используются для несущих конструкций крепи – это дерево, металл, бетон, железобетон, камень, пластик. Вяжущие – идут на приготовление растворов, бетонов и стеклопластиков (цемент, смола). Вспомогательные – водоизоляционные материалы, химические реагенты, изделия из стали. Требования к крепежным материалам – должны обладать высокой прочностью, быть устойчивыми против коррозии и гниения, иметь невысокую стоимость, не быть дефицитными и огнеопасными, противостоять воздействию подземных вод и шахтной атмосферы. Крепь – прочная, надежная, долговечная, занимать как можно меньше места, возможность механизации возведения, должна быть транспортабельной, нетрудоемкой при возведении, оказывать минимальное сопротивление воздуху, иметь минимальные затраты , огнестойкая, и пр. Материал крепи выбирают с учетом его огнестойкости, назначения и срока службы выработки, её поперечного сечения, величины и характера горного давления.

Горную крепь классифицируют:

• на крепь горизонтальных, вертикальных и наклонных выработок;

• на крепь капитальных и подготовительных выработок;

• на деревянную, металлическую, каменную, бетонную, ж/б и смешанную;

• на временную и постоянную;

• на рамную, сплошную, штанговую и комбинированную;

• на жесткую, шарнирную, податливую;

• на прямоугольную, трапециевидную, полигональную, сводчатую, арочную, кольцевую, эллиптическую и др.;

• на обычную и специальную.

Деревянные крепи.

Деревянная крепь – используют преимущественно хвойных пород.  Достоинства – небольшая масса, сравнительно небольшая стоимость, легкость обработки на рабочем месте. Простота конструкции, удобна в установке и транспортировке. Недостатки – недолговечность (срок службы 2-3 года, иногда до 5 лет), опасность в пожарном отношении, меньшая прочность по сравнению с другими материалами.

Сортамент пиленного материала а) распил; б) брусья; в) доски обрезные («затяжка»);г) доски необрезные («затяжка»); д) обаполы (горбыли).

Рудничная стойка – круглый лесоматериал длиной от 0,5 до 5м и толщиной в верхнем торце от 7 до 30см. Два сорта леса – круглый и пиленый ( пластины, распилы, брусья, доски, обаполы). Если предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон принять за единицу, то при сжатии поперек волокон он будет равен 0,1 – 0,3, при растяжении вдоль волокон -2-3; поперек волокон -0,3-0,5. Т.е. прочность древесины колеблется в широких пределах. Её, как материал для крепи, применяют в основном при небольшом сроке службы подземных выработок или в качестве временной крепи до возведения постоянной из более долговечных материалов.

Деревянная рамная крепь горных выработок

Соединение стоек с верхняком:  а) при давлении сверху; б) при давлении сбоку; в) при давлении сверху и сбоку; г) крепление выработки вразбежку; д) крепление выработки сплошное;  1- верхняк; 2- стойка; 3- Затяжка;

Деревянные крепежные рамы. а, в, г – неполные, б- полные.

Основной конструкцией деревянной крепи является неполная крепежная рама Рис а,в,г. Состоит из верхняка 1, и двух соек 2. Реже применяют полные крепежные рамы, Рис б, когда добавляют четвертый элемент – лежень 3. Неполные крепежные рамы применяют в породах с f= 3-9, а полные – с f=1-2 и пучащих породах. Крепежные рамы трапециевидной формы с горизонтальным верхняком и углом наклона стоек в раме 80-850 применяют при любом угле залегания пласта. До 20-250 рамы устанавливают с наклонным верхняком по кровле пласта Рис в, при крутом залегании (более 550) – с горизонтальным верхняком и наклоном одной стойки по кровле пласта.

Соединение элементов крепежной рамы должно быть прочным, точным и простым в исполнении. Еще это соединение называют замком. Соединение в лапу, очень распространенный способ соединения верхняка со стойкой и лежнем. Это соединение выполняют в зависимости от горного давления. На рис показано направление стрелками направление горного давления и соответствующая ему конструкция в лапу. Соединение в паз применяют только при вертикальном горном давлении. Остальные виды соединений (в шип, встык) применяются довольно редко.

Соединение элементов крепи и узлы податливости деревянных рам.

Соединение элементов крепи и узлы податливости деревянных рам. а, б, в – стоек и верхняка в лапу, г- в паз; д- стоек и лежней в лапу, е – в зуб; ж – заострение стоек на конус; з – в виде клина.

Замки А- соединение в лапу.Б- соединение в паз.В- соединение в шип.Г- соединение стоек с лежнем.

При больших размерах поперечного сечения выработки или при значительном горном давлении применяют усиленные крепежные рамы:

Усиленные крепежные рамы 1 – ремонтина (средняя стойка);2 – прогон; 3 – подкос; 4 – распорка.

При давлении с кровли – усиливают верхняк, а при всестороннем давлении – усиливают многоугольной крепью, устанавливаемой внутри обычной рамы.

Крепежные рамы являются жесткой крепью. При большом горном давлении, сопровождающимся опусканием кровли, возможно разрушение крепи. Это явление требует применения податливой крепи. Податливость достигается в ослабление отдельных элементов крепи и их разрушении, но без снижения несущей способности. Для деревянной крепи податливость достигается за счет зострения нижних концов стоек на «карандаш». Под действием горного давления концы стоек сминаются и крепь приопускается (приседает).

Технология возведения деревянной крепи.

Все работы в подготовительном забое, и в том числе возведение крепи, производятся согласно утвержденного паспорта. Вначале готовят место для установки крепи – очищают забой от нависших кусков угля и породы, производят разметку и устройство лунок для стоек или углубления для леженя. Глубина лунок от 5см в крепких породах до 15 см в мягких породах. В лунки устанавливают стойки. Для удержания стоек в необходимом положении их раскрепляют с соседними рамами досками или строительными скобами. Стойки устанавливаются комлем вверх, чтобы обеспечить большую опорную площадь для верхняка и устранить распространение воды из лунки по капиллярам древесины по всей длине стойки. Накладывают верхняк. Раму выверяют по отвесам и вискам и тщательно расклинивают. Рамы устанавливают «сплошняком» или в «разбежку» - в соответствии с паспортом. Затем производят затяжку кровли и бортов выработки. Пустоты между затяжкой и стенками выработки заполняют мелкой породой («забутовка»). Для обеспечения крепи продольной устойчивости между соседними рамами устанавливают в верхних углах и посредине стоек вдоль выработки распорки.

Полная крепежная рама: 1- стойка; 2- клинья; 3- верхняк;4- затяжка; 5- трап; 6- лежень.

Установка полной крепежной рамы отличается от установки неполной крепежной рамы тем, что работа начинается с укладки лежня в заранее приготовленные углубления (углубления должны быть равны половине или полной толщине лежня), а стойки устанавливают на лежень.

Металлическая крепь и условия её возведения.

Металлическая крепь – один из совершенных крепежных материалов, так как обладает большой несущей способностью, высокой прочностью, долговечностью, огнестойкостью, значительной деформированностью без потери несущей способности, хорошими конструктивными возможностями, хорошо поддается обработке. Удобна при возведении, применима в породах любой устойчивости и в выработках, как с установившимся давлением, так и в зоне влияния горных работ. Имеет высокие эксплутационные качества. Срок службы 20 – 25 лет. Недостатки - высокая стоимость, подверженность коррозии.

Для элементов металлической крепи применяют преимущественно углеродистую сталь марки Ст.5 в виде проката, в основном СВП (специальный взаимозаменямый профиль) типоразмеров: 14, 17, 19, 22, 27, 33. Также применяют тюбинги, балки двутавровые, швеллеры, рельсы, сталь угловую, круглую, арматурную, в виде полос, сетки и другие профили.

Металлические крепи применяют в горизонтальных и наклонных выработках, изготавливают в виде трапециевидных, арочных и кольцевых рам.

Трапециевидная металлическая жесткая крепь

Рама состоит из двух стоек и верхняка, изготовленных из СВП, реже из двутавровых балок. Стойки с верхняком соединены с помощью съемных башмаков, уголков с болтами, накладок и пр. Стойки неполных рам устанавливают непосредственно на почву выработки в лунки. При слабых почвах к нижним концам стоек приваривают опорные пластины или устанавливают на деревянные прогоны. Достоинства: несложность её изготовления и установления, не нарушается кровля выработки при проведении выработки по пласту. Недостатки: жесткость конструкции, меньшая несущая способность по сравнению с арочной, применяется в основном для капитальных и подготовительных выработок, расположенных вне зоны влияния очистных работ.

Металлическая податливая крепь МПК-1Т и Металлическая податливая кольцевая крепь

Жесткая арочная крепь

Жесткая арочная крепь состоит из двух полуарок, изготавливаемых из двутавровых балок, жестко соединенных между собой при помощи планок и болтов. Достоинства и недостатки – аналогичны жесткой трапециевидной крепи.

Наибольшее распространение от всех металлических крепей (до 90%) получили податливые крепи из СВП, которые бывают трех-, четырех- и пятизвенные.

Арочная податливая крепь.Пятизвенная АП-5(рис а) 1 – верхняк; 2 – стойка; 3 – хомут; 4 – планка; 5 – гайка; 6 – межрамная распорка; 7 – дополнительная стойка; 8 – затяжка.

Изготавливают из СВП:14, 17, 19, 22, 27, 33. Межрамные распорки изготавливают из уголковой стали. Арочная податливая крепь состоит из отдельных арок, устанавливаемых в выработках одна от другой на расстоянии 0,5 – 1,25 м, межрамных распорок и затяжек. Податливость крепи обеспечивается за счет вдвигания концов элементов арки одного в другой. Узлом податливости является соединение элементов крепи с помощью скоб, планок и гаек, фасонных хомутов с клиньями. Величина нахлестки в местах соединения элементов при установке арки составляет 400мм, расстояние между скобами – 200мм. Податливость трехзвенной крепи составляет 300 – 500мм, а пятизвенной – до 1000мм.

Возведении крепи.

Возведение крепи производится согласно паспорту проведения выработки и под прикрытием временной крепи. Начинают с установки стоек, которые двумя боковыми стяжками соединяют с ранее установленной аркой. На стойки укладывают верхняк, чтобы нахлестка равнялась 300 – 400 мм, и соединяют их двумя парами скоб, предварительно заложив в замках между днищами стойки и верхняка деревянные прокладки. Гайки на скобах затягиваются динамометрическим ключом. После установки арки её расклинивают в замках на деревянных распорках клином, затягивают кровлю и бока выработки ж/б, металлическими, стеклопластиковыми или деревянными затяжками, а пустоты за тяжкой заполняют мелкой породой.

Металлическая тюбинговая крепь.

Общий вид чугунного тюбинга 1,2- фланцы (борта);2-ребра жесткости.

Тюбинги, изготовленные из серого чугуна марок СЧ-21 до СЧ48, реже из стали, представляют собой цилиндрические сегменты. Сегменты соединяются в кольца, которые соединяют между собой болтами.

Анкерная крепь

Анкерная крепь – является прогрессивной и экономически выгодной, применяется в широком диапазоне горнотехнических условий. Преимущества – повышает безопасность ведения горных работ, так как лучше любой другой крепи противостоит взрывным работам, возможность полной механизации возведения, меньшие расходы материалов и затраты на доставку, позволят по сравнению с рамной крепью уменьшить сечение выработки на 18 – 25 % и ее аэродинамическое сопротивление. Недостаток – ограниченное применение в сложных условиях.

Схемы анкерования.

а – метод «сшивки» - слоистые породы, скрепленные штанга-ми, работают до появления трещин как единая балка, сопротивление изгибу которой выше, чем суммарное сопро-тивление отдельных нескреп-ленных слоев. б- метод «подшивки», разрушенные породы в кровле выработки подвешиваются анкерами к ненарушенным породам за пределами свода обрушения (к прочным породам кровли). Анкеры должны выдерживать массу пород в своде обрушения или всей пачки пород непосредственной кровли. в - применяют в крепких трещиноватых породах, когда крепь выполняет роль ограждающей конструкции, предохраняющей выработку от отдельных случайных вывалов.

Анкерную крепь применяют в качестве постоянной и временной крепи, в самостоятельном виде и в сочетании с другими крепями. Часто анкерный болт используют для вспомогательных целей: подвешивают конвейеры, трубопроводы, монтажные блоки и пр.

Представляют собой систему стержней (штанг), закрепленных в шпурах (скважинах) и расположенных в определенном порядке в породах, окружающих выработку. По характеру закрепления анкерные крепи разделяют: с закреплением в одной части, обычно в донной (замковые анкеры), и с закреплением по всей длине шпура. По конструкции замка анкеры различают: клинощелевые, распорно – клиновые, распорно – конусные, с закреплением по всей длине шпура.

Самые простые – клинощелевые, представляют собой металлическую штангу или деревянный стержень на одном конце которых имеется прорезь, в которую вставляется клин. Закрепление штанги или стержня производят ударами молотка по другому концу, клин упирается в дно шпура и заклинивает анкер. Нужно строго соблюдать длину и диаметр шпура, так как при перебуре закрепить штангу не удается.

Металлический замковый анкер состоит из стержня 1 с резьбой на одном конце и клиновой головкой (лопаткой) на другом, двух полумуфт 2, опорной шайбы 3 и натяжной гайки 4. Полумуфты надеваются на клиновую часть стержня, стержень с полумуфтами вставляется в установочную трубу, вместе с трубой вводится в шпур через отверстие в верхняке и ударами молотка по концу трубы расклинивается замок (полумуфты набиваются на клиновую часть стержня). Затем надевают шайбу и завинчивают натяжную гайку, притягивая верхняк к кровле. Анкер может воспринимать нагрузку сразу после установки.

Металлический анкер с закреплением быстротвердеющим химическим составом

(а)-Анкер с натяжной гайкой, опорной плиткой и уплотнительным кольцом. (б)-Анкер с опорной плиткой и натяжной гайкой с уплотнительным кольцом. (г)- 1-стержень; 2-шайба; 3-полукруглая гайка; 4- натяжная гайка; 5-стопор;6- уплотнительная шайба.

Ампулы с полиэфирной композицией

Время установки:

• Медленные - АП, цвет – синий, 40...50сек.

• Быстрые - АП-У, цвет – серый, 27...32сек.

• Сверхбыстрые - АП-М, цвет – желто-коричн, 17...22сек.

Размеры ампул для всех типов: Диаметр – 24,5мм; Длина – 330, 400, 470 мм. Усилие при вытягивании анкера более 5 тонн (50кН).

Состоит из металлического или полимерного стержня, ампулы (ампул) с химическим закрепителем на основе синтетической смолы, уплотнительного кольца, опорной плитки и натяжной гайки . Ампулы на основе полиэфирной смолы состоят из полиэтиленовой оболочки, в которой помещается смола и там же помещается полиэтиленовая трубка с отвердителем. Металлические стержни периодического профиля изготавливаются из стали диаметром 18-25 мм. На внешнем конце стержня имеется резьба под гайку. Конец стержня, вводимый в шпур, выполнен в виде ласточкина хвоста, что способствует разрыву оболочки ампулы. Уплотнительное кольцо – для предотвращения вытекания из скважины закрепляющего состава. В шпур вначале вводят одну или несколько ампул с закрепителем, затем стержень с резиновым кольцом. При вращении стержня ампулы разрываются, содержимое заполняет пространство между стержнем и породой, затвердевает и закрепляет анкер в шпуре. Через 1-2 часа анкера готовы к работе. Преимущества: простота конструкции, меньшая трудоемкость установления, большая прочность закрепления даже в слабых породах, простая механизация установки.

Канатные анкеры.

Диаметр каната – 15,2мм. Длина 3- 11м. Расчетная несущая способность 210 кН.

Анкер канатный АКО1. Закрепляется ампулами с минеральной или полиэфирной композицией путем подачи и вращения в скважинах диаметром 27мм; 30мм; 36мм; 43мм. Назначение: упрочнение приконтурного массива горных выработок за счет сшивки слоистой толщи пород и подвески неустойчивой части массива к устойчивой. Область применения:

• Выработки, расположенные на границе с выработанным пространством;

• Демонтажные камеры;

• Газо – дренажные каналы;

• Выработки для повторного использования;

• Монтажные камеры;

• Сопряжения выработок;

• Выработки с неустойчивой кровлей мощностью более 3-4м;

• Крепление приводных головок ленточных конвейеров;

• Подвеска монорельсовых дрог;

• Крепление тоннелей;

Крепь состоит из стержня анкера, выполненного из стального семижильного каната 15К7, соединенного с муфтой посредством клиновой втулки. Муфта снабжена гайкой. Для увеличения жесткости каната на сопряжении с муфтой к торцу последней присоединена направляющая трубка. Для увеличения плотности закрепляющего материала и качественного перемешивания двухкомпонентного составов канат снабжен проволочным шнеком. При закреплении канатного анкера минеральной композицией ампульным способом в головной части каната выполнен винт, обеспечивающий предварительное натяжение анкера без времени ожидания отверждения в сухих и обводненных породах.

Анкер канатный АКО2. Ампульно – нагнетательного способа закрепления. Ампулы с полиэфирной смолой или минеральной композицией. Состав для нагнетания: цементные смеси; Геофлекс; Шахтизол -100; Беведол – беведан.  Верхняя часть стержня закрепляется ампульным способом в шпуре диаметром 30мм. Нижняя часть в шпуре диаметром 43мм. В этой части шпура канат охватывает трубка с герметизаторм. Вначале устанавливается анкер ампульным способом, затем следует герметизация устья шпура и нагнетание смолы в шпур на всю оставшуюся длину. Для нагнетания смесей требуется насосное оборудование.

Анкер канатный АКО2.М1 и АКО2.М2. Нагнетательного способа закрепления. Предназначен для упрочнения обводненных пород приконтурного массива горных выработок различного назначения, в том числе с обильным водопритоком из шпура. Бурится шпур, в него вставляется анкер, досылают до упора гайки в подхват или опорный элемент высотой не менее 50мм. Производится распор анкера накручиванием гайки. Одновременно происходит закрепление головного конца каната замком и герметизация шпура. Далее следует нагнетание закрепляющего состава в шпур на всю его длину.

Анкер канатный АКО2.М3...АКО2.М4...АКО2.М5. Предназначен для упрочнения обводненных пород приконтурного массива горных выработок различного назначения, в том числе с обильным водопритоком из шпура, в зонах повышенного горного давления, в нарушениях и без них. Применяется с индивидуальными опорными элементами – полусферическая шайба, отрезок СВП. Вначале закрепляется ампульным способом, далее следует герметизация монтажной пеной, а затем нагнетание смолы в шпур на всю его длину.

Железобетонный анкер Состоит из стального стержня 2, цементного раствора 1, опорной шайбы 3 и натяжной гайки 4. Наибольшее распространение получили забивные анкера, стержни которых забивают в шпуры после нагнетания в них раствора. Через 3-5 часов к концам анкеров устанавливают опорные шайбы или подхваты и производят их натяжение.

Анкер полимерный

Технология возведения анкерной крепи.

Производится установка анкерной крепи согласно утвержденного паспорта крепления. При составлении паспорта для каждого из конкретных условий производится расчет анкерной крепи в соответствии с «Инструкцией по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России», Санкт – Петербург, 2000г. В зависимости от горногеологических условий, сечения и конфигурации выработки, срока службы, глубины от поверхности, влияние горных работ, нарушений и пр., определяют шаг установки крепи, количество анкеров в ряду, плотность установки на 1 м2 , длину анкеров, выбирают верхняк и материал для перетяжки кровли и бортов выработки. Надежность работы анкерной крепи во многом зависит от качества ее установки, контроля за натяжением анкеров. Перед началом работ забой должен быть приведен в безопасное состояние. Возведение крепи включает в себя следующие процессы: бурение шпуров, установку анкера с поддерживающими элементами, укладку межрамного перекрытия (затяжки), создание предварительного натяжения. Бурение шпуров производят как электросверлами, так и буровыми машинами (анкероустановщиками) или навесными бурмашинами, установленными на комбайнах и комплексах. Натяжение анкера осуществляется специальными гайковертами, динамометрическими ключами или приставками к бурильным машинам. Устанавливается крепь в следующей последовательности: на стойках ВК прижимается верхняк к кровле (или прижимается рабочим органом комбайна), кровля перетягивается затяжкой, через отверстия в верхняке бурятся шпуры под анкера, производится установка анкеров с их последующим натяжением.

Бетонные и железобетонные крепи.

Бетон – искусственный каменный материал, полученный при твердении цемента, воды и заполнителей (песка, щебня, гравия). Состав бетона – 1:П:Щ, где 1 – одна часть цемента, П – число частей песка, Щ – число щебня или гравия. Обычно применяют 1:2:3; 1:3:5; 1:4:6. В зависимости от содержания цемента в 1м3 бетонной смеси – бетоны жирные (более 250кг), средние (200-250кг), тощие (до 200кг). В зависимости от содержания воды в 1м3 бетона – жесткие (130 – 170л), пластичные (170 – 230л) и литые (более230л). Марки бетона 100, 150, 200, а для сборных ж\б крепей – марок 300, 400, плотность 2,1 – 2,3 т/м3. Достоинства – высокая прочность при работе на сжатие, монолитность, долговечность, огнестойкость. Недостатки – большая плотность, незначительное сопротивление изгибающим и растягивающим нагрузкам, трудоемкость возведения, невозможность воспринимать нагрузки сразу после возведения крепи. Торкрет – бетон – мелкозернисты бетон из цемента марки 400, 500 (до 750 кг на 1м3 смеси) песчано – гравийного заполнителя с крупностью зерен до 5мм и воды. Набрызгбетон – более крупный заполнитель (до25мм), а содержание цемента на 1 м3 смеси – 350 – 400кг. Железобетон – бетон, армированный стальной арматурой. Бетон хорошо воспринимает сжимающие усилия, а сталь – растягивающие. Искусственные камни – кирпич, бетонит – бетонные камни до 40кг, бетонные блоки – 200-300 кг и более. Новые крепежные материалы – пластобетон (вяжущие – смолы, и специальные химические добавки), углепласт ( из угольной пластмассы), стеклопластики ( синтетические смолы, армированные стекловолокном), и др.

Бетонная крепь  с вертикальными стенами и сводчатым перекрытием (а), с обратным сводом (б), (в) монолитная крепь вертикального ствола.

Монолитная бетонная крепь и Блочная бетонная крепь

Крепь из монолитного бетона имеет сводчатую замкнутую форму, так как в этом случае бетон хорошо работает на сжатие. Применяют – для крепления капитальных с большим сроком службы.

В зависимости от горно – геологических условий применяют следующие поперечные сечения горных выработок: с вертикальными стенами и сводчатым перекрытием для пород с f = 3 – 9; с вертикальными стенками, сводчатым перекрытием и обратным сводом для пород с f =1-2; круглой формы для сложных горно – геологических условий.

Бетонная незамкнутая крепь состоит из фундамента, стен и свода. Фундаменты представляют собой часть стен, расположенных ниже уровня поверхности почвы, и имеют глубину: со стороны водоотливной канаки – 500мм, а с другой стороны – 250мм. Толщина фундамента в крепких породах равна толщине стен, а в слабых породах их толщину увеличивают на 150-250мм. Верхнюю часть свода называют замком, а поверхности опирания свода на стены – пятами. В зависимости от размеров поперечного сечения выработки, крепости окружающих пород толщину стен принимают 200-500 мм, толщину верхнего свода 170- 350мм, толщину обратного свода 200-350. При круглой форме толщину крепи принимают 300-600мм. Бетонную крепь возводят с отставанием от забоя до 20м. Участок выработки между забоем и местом возведения бетонной крепи поддерживают временной крепью. Для возведения крепи применяют передвижные или сборно – разборные (деревянные, металлические или смешанные) опалубки. Укладывают бетонную смесь за опалубку вручную или механизированным способом с помошью различных бетоноукладчиков. Конструкцию опалубки и сроки её снятия указывают в паспорте проведения и крепления выработки. Разновидностью монолитной бетонной крепи является крепь из торкрет–бетона и набрызгбетона – безопалубочное бетонирование. Перед началом работ с помощью сжатого воздуха очищают рабочие поверхности выработки, смачивают их водой. Затем включают цемент – пушку и наносят бетон на горные породы слоями толщиной 3-7см. Каждый последующий слой наносят через 15 – 20мин. Суммарная толщина крепи – 15 – 20 см и более.

Железобетонные крепи. Возводят так же, как и бетонную, но перед бетонированием устанавливают арматурный каркас. Арматура может состоять из стержней круглого или периодического профиля, из двутавровых или швеллерных балок, спецпрофиля или рельсов в виде рам, колец или арок.

Железобетонная тюбинговая крепь и Железобетонная сборная крепь

Сборные железобетонные крепи. Изготовляют на заводах железобетонных изделий, доставляют в готовом виде в выработки, где возводят путем монтажа готовых элементов. По конструкции можно разделить на два типа: рамные, состоящие из отдельных рам, арок, колец, устанавливаемых вразбежку, и сплошные, собираемые из плит, блоков или тюбингов. Если рамные имеют массу 100-120 кг и возводятся вручную, то сплошные – тюбинговые – 200-500кг и для их возведения применяют различные крепеустановщики.

а – КТАГ - крупноразмерная тюбинговая арочная гладкая; и б- ГТК – гладкостенная тюбинговая крепь.

а – КТАГ - крупноразмерная тюбинговая арочная гладкая; б- ГТК – гладкостенная тюбинговая крепь. Отличаются размерами и массой. Площадь сечения выработки в свету от8 до 26м2. Девять типоразмеров тюбингов. Состоит из тюбингов 1и полутюбингов 2. Возводят крепь снизу вверх, укладывая тюбинги и расклинивая их временными распорами. После укладки последнего замкового тюбинга арку забучивают равномерно с двух сторон, а распорки удаляют.

Смешанные и комбинированные крепи.

Смешанные называют крепи, несущие элементы которых выполнены из различных крепежных материалов. Это металлический верхняк и деревянный стойки, или металлический верхнях и трубчатые ж/б стойки и пр.

Комбинированные – крепи, в которых сочетают две и более конструкций крепи. Например анкерная и металлическая арочная крепь, анкерная и рамная крепь из металлического верхняка и деревянных стоек и пр.

а) трапециевидная рамная смешанная крепь с верхняком из шахтного профиля СВП и межрамными соединениями: 1- верхняк; 2- стойки крепи; 3- межрамные соединения;4- ограничитель смещения стоек; 5- элемент межрамного соединения; 6- соединительный элемент межрамного соединения; 7- бобышка фиксации положения межрамного соединения. б) трапециевидная смешанная крепь с верхняком из спецпрофиля СВП и межрамными соединениями.

Временная крепь.

При проведении горизонтальных и наклонных горных выработок все работы в забое по уборке горной массы после взрывных работ, а также возведение постоянной крепи должны проводиться под защитой временной крепи, которая предохраняет людей, машины и механизмы в призабойной части от ударов и падения кусков породы. Временную предохранительную крепь устанавливают в выработке до возведения постоянной крепи. Применяют консольные, рамные трапециевидные и арочные, подвесные предохранительные крепи. Перемещаемые вручную и механизировано.

Консольные предохранительные крепи.

Консольные предохранительные крепи

а – выдвижные, наиболее распространенные. Состоит из продольных балок – прогонов, которые крепят при помощи хомутов 2 или скоб к верхнякам постоянной крепи. Прогоны между собой связывают связками 1 и на консольную их часть укладывают деревянный настил. Для прогонов применяют СВП или двутавр, трубы. б – переносная консольная предохранительная крепь состоит из двух быстроразъемных треугольных ферм, устанавливаемых по бокам выработки, на которые затем укладывают верхняки постоянной крепи с последующей затяжкой кровли и распором укосными стойками ВК8. Горизонтальный кронштейн 1 изготавливают из двутавровой балки №10 или профиля СВП – 17. в – рамная временная крепь. На стойках ВК8 устанавливают верхняк, производят перетяжку кровли, а затем устанавливают стойки, ВК8 убирают.

Подвесные временные предохранительные крепи.

Подвесные временные предохранительные крепи

а – с закладными боковыми штырями. Состоит из двух стальных штырей (подхватов) диаметром 32-36 мм и деревянного верхняка. В борта выработки бурят по два шпура глубиной 70см, в которые вставляют штыри – подхваты. На подхваты укладывают верхняк с затяжками. б – разновидность крепи, только используется арочный верхняк и закладные анкера диаметром 40 мм. в – крепь – опалубка с анкерами. Состоит из анкеров и арочного верхняка, подтянутого с затяжками к кровле. При снятии компенсирующих трубок 1 предохранительную крепь 2 можно использовать в качестве опалубки 3 при возведении постоянной монолитной бетонной крепи.

Один из вариантов временной крепи при креплении сталеполимерными анкерами.

После выемки угля комбайном, забой осматривается, обираются отслоившиеся и нависшие куски угля и породы. Решетчатая затяжка одной стороной консольно закрепляется за последний круг анкерного крепления (заводится за верхняк). На рабочий орган комбайна накладывается верхняк , поднимается рабочим органом и прижимается к кровле, тем самым поджимая вторую сторону решетчатой затяжки. Под защитой временной крепи начинается бурение шпуров под анкера и установка анкеров.

Способы проходки крупных подземных выработок

 

Туннели большого поперечного сечения и камеры разрабатывают с использованием буровзрывных работ преимущественно следующими способами: сплошного забоя, уступным, опертого свода, опорного ядра. Эти способы известны, они регламентированы СНиП Ш-Б. 8—68 и отработаны многолетней практикой строительства подземных сооружений. Для выработок большого сечения в силу развития средств механизации, отказа от дерева в качестве крепежного материала и применения эффективных видов крепи, использующих несущие свойства скального массива, указанные способы приобрели определенное отличие от классических схем. Это отличие заключается в разбивке поперечного сечения выработки на минимальное число элементов с укрупнением их размеров.

 

На каждом участке осуществляют проходку элементов способом сплошного забоя, имеющих площадь, наибольшую для данных условий, при которой еще сохраняется устойчивое состояние выработки. Последовательность разработки сечения и возведения крепи (обделки) по каждому из этих способов для крупных выработок не соответствует в полной степени порядку, предусмотренному существующими правилами, а устанавливается в зависимости от размеров подземного сооружения, наличия строительных подходов и характеристики породы. Кроме того, не совпадает и регламентированная нормами область применения перечисленных выше способов в части инженерно-геологических условий. Например, способ опорного ядра в выработках большого сечения, имеющих значительные пролеты, может быть целесообразен не только в слабых, но и в крепких породах. Щитовой и механизированный способы разработки забоев для выработок большого сечения имеют в настоящее время более ограниченное применение, чем указанные буровзрывные способы производства работ. Щиты (обычные и механизированные), комбайны и другие туннелепроходческие машины могут быть эффективно использованы пока лишь до определенного диаметра туннелей (10—11 м). При увеличении размера машины становятся громоздкими, требуют чрезмерного потребления энергии, стоимость их непропорционально возрастает. Вместе с тем не исключена возможность использования различного рода комбайнов (туннелепроходческих машин) для разработки отдельных камерных выработок пролетами более 10 м.

 

  В отдельных случаях при строительстве крупных камер хранилища нефтепродуктов в специфических горно-геологических условиях применяют специальные способы производства работ (выщелачивание, внутренние взрывы). В настоящей е дано описание практикуемых современных способов возведения крупных подземных сооружений и указаны рациональные условия и области применения каждого из этих способов. Наряду с выработками площадью поперечного сечения около 100 м2 и более, рассмотрены также туннели шириной более 8 м (площадью в проходке примерно от 50 м2). При таких пролетах уже имеется определенная специфика в подземных работах, а площадь 50 м2 отвечает верхней части сечения крупных туннелей, разрабатываемых нижним уступом. Способ сплошного забоя Примерно до 1960 г. как в Советском Союзе, так и за рубежом крупные подземные выработки буровзрывным методом разрабатывали сплошным забоем в большинстве случаев лишь в благоприятных породах, позволяющих оставить выработку без крепи в процессе ее эксплуатации. В отдельных случаях выработки разрабатывали сплошным забоем в породах, в которых сохраняется устойчивое состояние достаточно длительный период — от момента вскрытия забоя до закрепления выработки постоянной бетонной крепью. Лишь некоторые туннели, ным образом в США, проходили сплошным забоем в породах средней крепости, но при этом применяли тяжелую металлическую арочную крепь, воспринимающую горное давление на весь срок строительства, поскольку, как правило, возведение постоянной бетонной крепи начинали после окончания проходки всего туннеля независимо от его длины и сечения.

 

  Чрезмерная осторожность в применении наиболее экономичных проходок подземных выработок сплошным забоем при буровзрывном методе работ была вызвана отсутствием достаточного опыта в возведении облегченных типов крепи (анкерная, набрызгбетонная и др.) и в осуществлении метода контурного взрывания, громоздкостью буровых рам, арочной крепи, опалубочных агрегатов, трудоемкостью и сложностью выполнения работ по оборке кровли после взрыва, осторожность вызывалась также слабой изученностью ряда существенных факторов, влияющих на устойчивость выработки (напряженное состояние окружающего массива при вскрытии выработки, процессы образования над туннелем ослабленных зон пород, взаимо- действие горных пород и крепи), а кроме того недостаточной надежностью определения нагрузок на крепь, особенно в скальных породах. Естественно, нельзя утверждать, что в настоящее время все эти вопросы получили свое решение, тем не менее, пути к этому в значительной степени наметились. Если проследить развитие строительства подземных сооружений больших размеров за последние 10 лет, то можно заметить определенную тенденцию к переходу на проходку туннелей сплошным забоем, причем эта тенденция сохраняется не только для крепких, но и для трещиноватых нарушенных пород средней крепости, а на отдельных участках трассы — ниже средней крепости. При этом учитывается сложность перехода от проходки сплошным забоем на штольневые методы и обратно в тех случаях, когда по трассе оказались ослабленные неустойчивые породы. Способы проходки подземных выработок сплошным забоем имеют весьма широкую область применения. Разработан ряд модификаций этих способов в зависимости от прочности и состояния окружающих пород. В устойчивых породах проходку можно вести сплошным забоем, без возведения крепи или с частичным возведением крепи выработок. В недостаточно устойчивых нарушенных породах проходка сплошным забоем может характеризоваться типом применяемой крепи: с жесткой крепью (арочная металлическая или бетонная), с крепью ограниченной податливости (комбинированная) и с податливой крепью (новоавстрийский способ проходки). Проходка сплошным забоем без крепи или с облегченной крепью При этом способе проходческие работы в забоях выработок большого сечения, как правило, ведут последовательно, т. е. бурение шпуров и погрузка породы не совмещаются во времени. В скальных монолитных породах крепь в большинстве случаев не применяют, в трещиноватых породах выработку закрепляют анкерами или набрызгбетоном, возможно также сочетание этих видов крепи. Способ позволяет в наибольшей степени использовать мощное производственное оборудование, сократить продолжительность вспомогательных операций, осуществить четкую работу по графику цикличности и добиться высоких скоростей проходки при наименьших затратах труда. Применение способа проходки сплошным забоем в устойчивых породах ограничивается в большинстве случаев выработками, ширина которых не превышает 20 м, а высота — 10 м. Это связано как с технической возможностью используемых типов оборудования, так и с определенной опасностью раскрытия в один прием незакрепленного пролета значительной ширины. Площадь поперечного сечения выработок, разрабатываемых на полный профиль, обычно не превышает 100—130 м2, имеются, однако, отдельные примеры в исключительно благоприятных инженерно-геологических условиях когда площади таких выработок достигают 160 м2 при наибольшей высоте около 14 м. При ширине забоя 15—20 м и более проходку удобнее производить с опережением центрального участка на одну-две заходки. Это дает возможность при необходимости осуществить переход на другие более безопасные методы и немедленно закрепить кровлю при появлении признаков возникновения вывалов. В камерных выработках длиной 100—130 м проходку верхней (подсводовой) части на полный профиль при отсутствии удобных подходов можно осуществлять из поперечных прорезей. В этом случае в первую очередь по всей длине верхней части проходят центральный направляющий ход, из которого через каждый 10—30 м устраивают поперечные прорези шириной примерно по 3 м для размещения бурового оборудования. Раскрытие верхней части производят из прорезей встречными забоями с бурением глубоких шпуров (на всю длину целика). Породу вывозят по направляющему ходу или сбрасывают по воронкам вниз к основанию камеры. Проходку и бетонирование можно вести одновременно на нескольких фронтах, что позволяет сократить время строительства. Вместе с тем при таком способе осложняется механизация погрузочно-транспортных работ и возникает необходимость проходки большого числа мелких вспомогательных выработок (направляющие хода, воронки, прорези). Кроме того, способ применим в исключительно монолитных породах. Применение способа проходки крупных выработок сплошным забоем в устойчивых породах покажем на нескольких характерных примерах. Туннель, входящий в состав гидроузла Нурекской ГЭС, имел полуциркульное очертание, ширина сечения Им, высота 6 м. Туннель проходил по песчаникам и алевролитам с = 7 ч- 8. Работы вели во второй половине 1969 г. Шпуры бурили двумя самоходными установками СБУ-4, в забое располагалось 90 шпуров средней глубиной по 3,8 м, подвигание забоя за взрыв 3,4 м. Одновременно с обуриванием забоя бурили шпуры под анкера, затем устанавливали анкера и навешивали сетку. После взрыва зарядов, проветривания забоя и приведение его в безопасное состояние осуществлялась погрузка породы двумя машинами непрерывного действия ПНБ-Зк в автосамосвалы MA3-503. В сутки выполнялись два проходческих цикла, скорость проходки составила 167 м/мес. Обуривание забоя Представляет интерес пример строительства туннеля Манапури в Новой Зеландии длиной 10 км. Этот туннель разрабатывали преимущественно (8,5 км) с одного портала. Форма поперечного сечения туннеля подковообразная шириной и высотой по 10 мг породы гнейсовые с большим притоком воды (0,2—1,0 м3/с). Обуривание забоя осуществляли 16 колонковыми перфораторами, смонтированными на трехъярусной передвижной буровой раме. В забое размещалось 150 шпуров средней глубиной 4 м, подвигание забоя за взрыв 3,6 м. Шпуры под анкера на глубину 1,5 м бурили с той же рамы четырьмя ручными перфораторами. Установку анкеров и навеску сетки выполняли также с верхней площадки рамы. На отдельных участках туннеля монтировали металлическую арочную крепь. Погрузка породы осуществлялась двумя машинами «Конвей) с ковшом емкостью 1 м3 в вагонетки емкостью 4,3 м3. Погрузочнотранспортное оборудование располагалось на специальном скользящем настиле длиной 137 м. Работы по проходке участка туннеля длиной 8,5 км с одного забоя вели с 1964 по 1968 г. (в течение 56 месяцев) равномерно со средней скоростью за весь период строительства 150 м/мес. Ежесуточно осуществлялось два цикла, в отдельные дни число циклов доходило до четырех, а скорость проходки достигала 13—14 м/сут.

 

  Характерен также пример проходки выработки Нурекскои ГЭС в породах средней крепости. В поперечном сечении выработка имеет трапецеидальное очертание с криволинейным сводом. Высота 7,6 м, ширина от 23 (по почве) до 26 м (по пятам свода). Участок длиной около 100 м расположен в крупнозернистых песчаниках с прослоями алевролитов на карбонатно-глинистом цементе. В отдельных местах породы нарушены и имеют зоны сильно перемятых алевролитов с повышенной густотой трещин напластования. В зонах контактов есть выходы воды с расходом до 7 м3/ч. В соответствии с указаниями СНиП III-И. 2—62 и на основании имеющегося опыта, подземные выработки при пролете более 20 м проходят с поэлементным раскрытием профиля, поэтому в проекте был заложен штольневой метод. При этом продолжительность строительства описываемого участка составляла 10 месяцев. На основании результатов проведенного институтом Оргэнерго- строй и трестом Гидроспецстрой комплекса натурных исследований (определение несущей способности железобетонных анкеров в различном возрасте и при разных расстояниях от места взрыва зарядов, исследование перемещений породы с помощью деформометров и на основании маркшейдерских замеров, определение деформаций в массиве с использованием замоноличенных в шпурах гетинаксовых цилиндров с тензодатчиками, измерение ультразвуковым методом глубины нарушенной зоны породы над выработкой) была осуществлена проходка этой выработки сплошным забоем. Работы вели по следующим этапам — проходка центральной части шириной 13—15 м на длину 3 м с креплением кровли анкерами глубиной 3 м, доборка боковых частей до полного пролета, крепление этих частей анкерами и навеска сетки. После двух таких заходок по 3 м проходку останавливали п производили бетонирование па полный пролет на длину 6 м. Участок длиной 3 м, примыкающий к забою, оставляли все время незабетонированным, что позволяло обуривать забой для следующей заходки. В дальнейшем цикл потеряли. Шпуры бурили с применением установок СБУ-2 с удлиненными манипуляторами, погрузку породы осуществляли экскаваторами ПП-1 в автосамосвалы МАЗ-205. Анкера устанавливали с площадки, оборудованной на автопогрузчике. Сооружение этой выработки заняло 6 месяцев, стоимость работ составила 165 тыс. руб. Проходка сплошным забоем с жесткой крепью Металлическая арочная крепь. В нарушенных породах средней крепости, не оказывающих горного давления в течение нескольких смен, независимо от длины и площади поперечного сечения выработки может найти применение способ проходки с использованием выдвижных подхватов. Подхваты обычно применяют при монтаже металлической арочной крепи, описываемый же способ позволяет использовать подхваты и при разработке забоя. Выработку закрепляют металлической многоугольной крепыо на каждой заходке. Крепежная рама или арка состоит из нескольких косяков и двух вертикальных стоек. Косяки соединяют между собой и со стойками приваренными торцовыми накладками и болтами. Рамы устанавливают на расстоянии примерно 1 м одна от другой, продольная жесткость пх обеспечивается металлическими уголковыми распорками.

 

  Кровлю и бока выработки закрепляют затяжкой или покрывают набрызгбетоном. К трем ближайшим от забоя полностью собранным рамам на съемных или сварных хомутах, прикрепленных к косякам крепи, подвешивают выдвижные подхваты из металлических балок двутаврового профиля. Во время установки новой крепежной рамы ое элементы поддерживают на консольной части подхватов. На каждый косяк приходится одпн-два подхвата, которые закрепляют в хомутах металлическими клиньями, удаляемыми при выдвижении подхватов. Проходка туннеля  В первую очередь с буровых подмостей разрабатывают верхнюю часть забоя по отдельным участкам и устанавливают элементы крепи, при этом косяки поддерживаются выдвижными подхватами. Размер каждого участка выбирают в зависимости от состояния кровли, глубина заходки не превышает 1,5 м. Разработку нижней части и подведение вертикальных стоек осуществляют под защитой закрепленной кровли, удерживаемой арками на подхватах. Такой способ проходки был впервые применен в 1957—1960 гг. на строительстве туннелей Атарбекянской и Ереванской ГЭС, что позволило повысить темпы работ в этих туннелях примерно в 1,5 раза и снизить стоимость проходки па 15%. Описываемый способ применяется и при строительстве гидротехнических туннелей в Болгарской Народной Республике. Интересно заметить, что проходку в 1963—1964 гг. автодорожного туннеля Аллегейни в США фирмой Меррит-Чепмен энд Скотт Корпорейшн осуществляли ступенчатым забоем с металлической арочной крепью и восьмью выдвижными продольными подхватами из двутавровых балок. Метод проходки и конструкция подхватов аналогичны описанным выше. Опыт США также подтверждает высокую эффективность метода проходки туннелей сплошным забоем с применением металлической арочной крепи и выдвижных подхватов в нарушенных породах средней крепости.

 

  Чтобы избежать необходимости поэлементного раскрытия сечения с поэтапным возведением арочной крепи в нарушенных породах, при отсутствии односторонних нагрузок возможно применение опережающих анкеров в сочетании с металлическими арками. Для этого по контуру выработки примерно через каждые 0,5 м бурят горизонтальные шпуры на глубину 2—4 м параллельно оси туннеля. Эти шпуры заполняют цементно-песчаным раствором и в них вставляют штанги из арматуры периодического профиля. Концы штанг приваривают к металлической арочной крепи, устанавливаемой вплотную к забою. Подвигание забоя после взрыва, таким образом, осуществляется под прикрытием опережающей крепи, причем концы анкеров, уходящие в массив, заделаны в него не менее чем на 0,5— 1 м. После взрыва и уборки породы под защитой штанг монтируют арочную крепь и начинают подготовку к следующей заходке. В Советском Союзе этот метод был применен Гидроспецстроем при проходке нарушенных зон в туннеле Арпа-Севан.

 

  ГЭС Торрехон в Испании с применением опережающих анкеров и металлических арок. Глубина заходок составляла 2— 2,5 м, длина опережающих анкеров была равна 8—10 м, причем концы анкера, заделываемые в массив, имели длину от 1 до 2 м. Следом за проходкой бетонировали свод, а при отставании бетона от забоя породу с опережающими анкерами и стальными поперечными арочными подхватами покрывали набрызгбетоном. Схема крепления камеры с применением опережающих анкеров При строительстве одного из транспортных туннелей в США пролетом 10 м применяли опережающие анкера длиной 9 м на расстоянии 45 см друг от друга. Анкера устанавливали по своду выработки в скважины, пробуриваемые вдоль туннеля через отверстия в стенке двутавровых балок арочной крепп, арки располагали с шагом 60—120 м по длине туннеля. Бетонная крепь (метод Бернольда). Начиная примерно с 1968 г. в Швейцарии и ряде других стран при проходке туннелей сплошным забоем в нарушенных породах начали применять патентованную систему крепления, названную креплением по методу Бернольда. Принцип этой системы состоит в возведении жесткой армированной бетонной крепп (обычно толщиной 20—30 см) вслед за проходкой забоя с применением специальных опалубочно-арматурных щитов различных размеров и форм. Эти щиты размером примерно 1 X 1,2 м представляют собой тонкую (1; 2 и 3 мм, массой от И до 33 кг каждый) и гибкую перфорированную металлическую конструкцию. Щиты закладывают за монтажные арки (кружала) и соединяют между собой внахлестку с помощью тяг. Монтажных арок-кружал обычно бывает не более 6—12 на каждый забой.

 

  Пластичная бетонная смесь (водоцементное отношение 0,40— 0,45), подаваемая бетононасосом или пневмобетоноукладчиком, заполняет пространство между опалубочными щитами и породой, причем щиты начинают работать в качестве арматуры. Бетонирование ведется по сечению в направлении снизу вверх по мере установки щитов. В процессевибрирования бетонная смесь проникает через отверстия в щитах и омоноличивает конструкцию. В качестве антикоррозийной защиты осуществляют торкретирование поверхности щитов после окончания бетонирования. Торцовую опалубку выполняют из щитов аналогичного типа. После затвердевания бетонной смеси (через 1,5—2 суток или ранее при применении ускорителей твердения) монтажные арки передвигают вперед, причем каждые 2—3 арки соединены в единую конструкцию и после раскру- жаливания перемещаются на тележках без их демонтажа. Проходка сплошным забоем с комбинированной крепью В слабых породах после взрыва одновременно с погрузкой породы можно производить предварительное покрытие кровли тонким слоем набрызгбетона, а затем бетонирование сводчатой части выработки, при этом монтажные арки, поддерживающие щиты опираются на выдвижные подхваты. После окончания погрузки подводят боков),ie стойки монтажных арок, за них закладывают опалубочные щиты и осуществляют бетонирование стен выработки. Возможно применение также двойной оболочки из щитов Бернольда. Описываемый метод получил уже достаточно широкое распространение. В частности, в 1971 г. начато строительство четырех автодорожных туннелей пролетом 7,8 м и общей длиной 3,6 км на участке шоссе вдоль Женевского озера. Работу вели в трещиноватых осадочных породах способом сплошного забоя с использованием крепления по методу Бернольда. Кроме того> этот способ применен в Сен-Готардском туннеле, в котором до 1972 г. было уже забетонировано 25 тыс. м2 туннеля. Этим методом в Швейцарии были закреплены туннели специального назначения площадью до 120 м2, железнодорожный туннель площадью 106 м2 длиной 3 км и другие туннели . К началу 1973 г., т. е. примерно за 5 лет метод был применен в 12 странах при строительстве 67 туннелей общей длиной 24 км. Намечается использование его в ближайшие годы в подземных выработках общей длиной около 200 км.

 

  К основному преимуществу проходки туннелей с креплением по системе Бернольда относится возможность быстрого создания индустриальной несущей монолитной армированной бетонной крепи немедленно вслед за продвиганием забоя. Это позволяет в сочетании с выдвижными подхватами разработать туннель сплошным сечением даже в весьма слабых породах, устойчивое состояние которых сохраняется лишь в течение нескольких часов. При этом крепление по методу Бернольда оказывается не дороже, чем при применении: набрызгбетона и металлической сетки в сочетании с арками. Принципиальное отличие этого способа от других заключается в поэтапном создании вокруг выработки в процессе ее проходки такой несущей крепи, которая упрочняет окружающую породу и вовлекает ге в работу. Одним из элементов этой крепи являются анкера (обычные или с предварительным напряжением), другим — набрызгбетои. В ряде случаев под защитой покрытия из набрызгбетона производят цементацию окружающего выработку горного массива. Комбинированную крепь можно возводить сразу по всему периметру выработки или по отдельным его участкам. Во втором случае фронт проходки забоя может оказаться растянутым на 30—50 м. Участок туннеля Использование способа проходки выработок сплошным забоем с применением комбинированной крепи покажем на примере строительства Нурекской ГЭС.

 

  Участок туннеля шириной 11,6 ми высотой 7,6 м на длине около 230 м проходил в слабых скальных породах, представленных переслаивающимися алевролитами и песчаниками с коэффициентом крепости = 2. В поперечном сечении туннель имел корытообразное очертание с криволинейным сводом. Порода в образце достаточно прочная, но массив сильно разбит системами трещин, заполненных рыхлым материалом или глинкой трения. Была сделана попытка проходить этот туннель сплошным забоем с применением металлической арочной крепи, однако вывалы породы привели к необходимости немедленной остановки забоя и бетонирования туннеля. Возник вопрос о переходе на штольневые способы проходки. Тем не менее, было решено проверить возможность проходки туннеля сплошным забоем с применением комбинированной крепи. Для этого был проведен комплекс модельных исследований, позволивший сопоставить несущую способность различных типов крепи и выдать ряд практических рекомендаций по осуществлению проходки туннеля сплошным забоем, что и было принято к исполнению. Для уменьшения сейсмического эффекта взрыва и сохранения устойчивости стен и кровли туннеля число шпуров было снижено. Для исключения пересыпания шпуров после удаления буровой штанги их устья располагали преимущественно в прослоях песчаника, отклонение шпуров от паспортного положения разрешалось не более 20 см. Применяли технологию контурного взрывания по методу сближенных зарядов с использованием рассредоточенных зарядов с детонирующим шнуром. Конструкцию клинового вруба выбирали в зависимости от расположения пластов и их устойчивости в центральной части забоя. Взрывчатые вещества применяли пониженной работоспособности. Величина заходкп за взрыв не превышала 1,5 м (по сравнению с 3,5—4 м в крепких породах). Первый слой набрызгбетона толщиной 5 — 6 см наносили после взрыва и проветривания забоя с отвала взорванной породы или с монтажного гидроподъемника с шарнирной стрелой. Анкерную крепь из железобетонных анкеров глубиной 2,8 м с шагом 1 м устанавливали после нанесения первого слоя набрызгбетона во время обуривания забоя. Второй слой набрызгбетона толщиной 7—9 см наносили на расстоянии 10—12 м от забоя. При появлении трещин в первом слое набрызгбетона на этих; местах к анкерам подвешивали металлическую сетку из проволоки толщиной 4—6 мм с ячейками 8—10 см, и второй слой наносили по этой сетке. Бетонирование туннеля и цементацию породы вели на расстоянии 100 м и более от забоя. В процессе проходки вели постоянные маркшейдерские наблюдения за устойчивостью туннеля и состоянием крепи. По сравнению с проектным решением по проходке этого участка штольневыми методами достигнута экономия средств 250 тыс. руб., затраты труда на 1 м3 разработки породы сократились почти в 3 раза, а стоимость разработки 1 м3 породы — в 1,9 раза. Скорость проходки туннеля возросла в 1,7 —1,8 раза.

 

 

Проходка сплошным забоем с податливой крепью (новоавстрийскпй способ) При этом способе, предназначенном для слабых пород, подземную выработку вначале укрепляют деформируемой замкнутой крепью, плотно прилегающей к породе, а после того, как горное давление и осадка контура выработки стабилизируются, возводят по всему периметру туннеля постоянную крепь, поддерживающую первоначально установленную крепь. Между наружной и внутренней крепями предусматривается изоляция. Обычно наружная крепь представляет собой покрытие из набрызгбетона, распределительной арматурной сетки, закрепляемой к породе короткими конструктивными анкерами или опирающейся на легкие металлические арки либо решетчатые фермы. Внутренняя крепь выполняется из монолитного бетона или набрызгбетона. Толщина первоначального покрытия из набрызгбетона составляет 10—20 см, а внутренней крепи 25—35 см. Таким образом, общая толщина постоянной крепи при новоавстрийском способе в результате перераспределения нагрузок и усилий значительно уменьшается по сравнению с толщиной крепи при других способах.

8. Основные методы разработки горных пород. Ручная разработка. Разработка ручным механизированным инструментом. Проходка буровзрывным способом. Паспорт буровзрывных работ. Методы взрывания. Основные типы врубов и условия их рационального применения. Бурение шпуров. Применение современных буровых инструментов и машин. Классификация.

1. Основные методы разработки горных пород

• Ручной - I

• Ручными пневматическими инструментами – II-III

• Ручными пневматическими инструментами или взрыванием – IV

• Взрывной – V-XI

2. Ручная разработка

Ручная разработка с помощью лопат, заступов, кирок и ломов отличается малой производительностью и большой трудоемкостью; ее применяют в редких случаях (например, при работе в слабых и неустойчивых породах, требующих тщательного крепления, при подчистке и подборке в устойчивых породах).

Ручную разработку в неустойчивых породах выполняют последовательным снятием слоев в забое сверху вниз с перестановкой лобовой крепи, а в устойчивых — откалыванием породы от нависающего уступа забоя с обрушением ее на пол выработки. По условиям удобства работ на одного проходчика отводят не менее 1 м ширины вертикального забоя или 2—3 м2 площади забоя ствола шахты.

3. Разработка ручным механизированным устройством

Для механизации разработки пород I—III категорий обычно применяют пневматические инструменты (пневматические лопаты и отбойные молотки), характеризующиеся следующими показателями:

Показатель	Значение
Давление сжатого воздуха, кгс/см2	4—5,5
Расход сжатого воздуха, м3/мин	0,9—1,25
Частота ударов в минуту	1100—1600
Масса, кг	8—10,8

Рис. 122. Пика и лопатки

При возвратно-поступательном движении поршня-бойка, наносящего удары по хвостовику рабочего инструмента, происходит разрушение породы. Рабочим инструментом пневматической лопаты является лопатка, ширину которой принимают большей для вязких и меньшей для хрупких пород. В отбойном молотке рабочим инструментом служит пика (рис. 122). В твердых породах применяют короткие пики с пирамидальным заострением, в вязких — длинные пики с клиновым заострением.

При выборе отбойного молотка необходимо иметь в виду, что его коэффициент полезного действия и производительность работы возрастают с увеличением массы молотка и давления сжатого воздуха (примерно в 3 раза при увеличении давления от 3 до 5,5 кгс/см²), а также с уменьшением массы пики.

К достоинствам пневматических молотков относятся их малая стоимость, простота конструкции, безопасность в обращении и частичная вентиляция выработки отработавшим воздухом. Наряду с этим пневматические инструменты обладают и серьезными недостатками. Их применение требует устройства компрессорной со значительным резервом производительности и давления, так как потери в сети велики, а коэффициент полезного действия низок (менее 0,15).

Работа пневматических инструментов связана с сильным шумом, вибрацией и пылеобразованием.

Были сделаны попытки создать электрические отбойные молотки, не обладающие недостатками пневматических инструментов. Созданные молотки пока имеют большую массу (до 12 кг) и сильно нагреваются при работе. Поэтому необходимо иметь два комплекта электрических отбойных молотков. Кроме того, их применение в сырой выработке создает опасность поражения электрическим током. Поэтому на подземных работах наиболее распространены пневматические молотки.