9.3 Спорудження тунелів гірським способом. Методи розкриття тріщин

В залежності від поперечного перерізу усі гідротехнічні тунелі поділяються на: малого (до 12 м²), середнього (13 – 59 м²) та великого перерізу (60 м² та більше).

Будівництво підземних споруд (тунелі, камери, шахти), зазвичай, складається з двох основних етапів: проходки виробітки з тимчасовим кріпленням та зведення в ній постійної конструкції. В свою чергу процес проходки складається з розробки породи по всій площі поперечного перерізу на величину тимчасового кріплення, яка захищає покрівлю та стіни виробітки від обвалення.

Проходкою виробітки називається технологічний процес руйнування гірської породи по трасі майбутньої підземної споруди. Відстань просування забою за вибух отримала назву заходки.

В залежності від способу руйнування породного масиву розрізнюють гірський та механізований спосіб зведення підземних виробіток.

Гірський спосіб є більш поширеним (95% загального обсягу виробіток) при проходці підземних споруд та включає розпушення скельного масиву вибухом або відбійними молотками, влаштування тимчасового кріплення та постійного лицювання.

При механізованому способі проходки породний масив руйнується гірничим комбайном, механізованим щитом, тепловими променями, водяним струменем та іншими методами.

При руйнуванні породи вибухом (буровибуховий спосіб) застосовують п’ять основних методів розкриття перерізу: метод суцільного забою, уступний, обпертого склепіння, опірного ядра та розкриття по частинах.

По області застосування методи розкриття перерізу можна умовно об’єднати у дві групи: ті, що застосовуються у стійких (f ≥ 4) та середньої стійкості (f = 2 – 4) скельних ґрунтах під час проходки тунелів без обмеження довжини – методи суцільного забою та уступний; і ті, що використовуються для проходки коротких тунелів та ділянок порушених зон по трасі підземних споруд – методи обпертого склепіння, опірного ядра та розкриття на повний профіль по частинах.

Метод суцільного забою передбачає розробку усього перерізу тунелю за один прийом з наступним влаштуванням тимчасового кріплення та постійної обдєлки (лицювання). Використовується у стійких породах з f ≥ 4 для проходки тунелів перерізом до 120 м².

У міцних мало тріщинуватих породах тунелі виконують без кріплення або з полегшеним кріпленням. В залежності від стійкості покрівлі та стін виробітки, а також від величини навантаження на укріплення, використовують декілька типів тимчасового кріплення: анкерне, набризк-бетонне, комбіноване (анкери та набризк-бетон), металеву арочну і також з низько марочного бетону. У тріщинуватих породах використовується полегшене анкерне кріплення з сіткою, набризк-бетон або їх поєднання.

Способом суцільного забою з полегшеним кріпленням пройдена більша частина траси тунелю траси Арпа-Севан, основні тунелі Нурекської, Токтогульської, Усть-Хантайської ГЕС тощо. При збільшенні навантажень на кріплення від гірського тиску і подальшому зниженню стійкості покрівлі виробітки проходку методом суцільного забою ведуть з улаштуванням жорсткого металевого аркового кріплення із профільованого прокату. Недостатньо стійке аркове кріплення бетонується по всьому периметру тунелю. Бетонне кріплення в цьому випадку не повинно відставати від забою більше ніж на 100 м.

У тріщинуватих скельних породах, схильних до вивалеутворення при f = 2 – 3 при спеціальному проектному обґрунтуванні тунелі проходять методом суцільного забою з поетапно створюваним комбінованим кріпленням, залучуючи оточуючу породу у роботу та зміцнюючи її структуру. Одним з елементів кріплення є анкера, другим – набризк-бетон. Для цього перший шар набризк-бетону наносять зразу після вибуху та провітрювання забою. Далі крізь цей шар по сітці встановлюються залізобетонні анкери довжиною 2,5 – 3 м. Другий шар набризк-бетону товщиною до 10 см наносять на відстані 10 – 12 м від забою. Зведення постійного лицювання (кріплення) здійснюють на відстані не більш 100 м від забою.

У сильно тріщинуватих вивалонебезпечних породах (f = 3 – 4), в тунелях з перерізом до 70 м² застосовують спеціальну технологію проходки з щитом-опалубкою з використанням низькомарочного цементу (рис 9.1). У якості тимчасового кріплення використовується лицювання черновим (низькомарочним) бетоном. Щит опалубка одночасно захищає працюючих від випадіння грудок породи. Відривання та пересування опалубки відбувається після набирання бетоном 60% марочної міцності. Швидкість пересування проходки не перевищує 30 м/міс, тому застосовувати цей метод можна тільки при відповідному техніко-економічному обґрунтуванні.

а б

Рисунок 9.1 – Проходка тунелів із щитом-опалубкою:

а – розробка забою; 1 – щит-опалубка; 2 – черновий бетон; 3 – шпури;

б – насування щита-опалубки на забій

Уступний метод виконання тунельних робіт отримав найбільше розповсюдження під час спорудження крупних підземних виробіток при достатньо сприятливих інженерно-геологічних умовах (f ≥ 2 – 4) при перерізі більш 100 м² та висоті більше 10 м без обмеження їх довжини. На відміну від методу суцільного забою, поперечний переріз виробітку поділяють на частини з наступною їх проходкою та бетонуванням. Метод передбачає 3 схеми розкриття перерізу: верхнім, нижнім та боковими уступами (рис. 9.2).

Спосіб верхнього уступу 1 полягає у наступному. Спочатку на всю довжину тунелю по його підошві проходять допоміжну передову штольню малого або середнього перерізу, а далі з використанням цієї штольні у якості другої оголеної поверхні розробляється основний переріз.

Рисунок 9.2 – Уступний метод виконання робіт:

1 – метод верхнього уступу; 2 – метод бокового уступу; 3 – метод нижнього уступу;

(І – ІV – послідовність розкриття перерізу)

Спосіб бокового уступу 2 використовується у великопрогонових виробітках шириною 20 і більше метрів у стійких породах та при меншій ширині – у тріщинуватих, коли доцільно (з точки зору стійкості) розробляти центральну частину виробітки, а потім доробляти бокові частини. Це дозволяє своєчасно та надійно закріпити покрівлю на значній довжині виробітки та більш раціонально підібрати обладнання для проходки.

Найбільше розповсюдження отримав спосіб нижнього уступу, при якому зведення тунелю здійснюється переважно у два етапи 3. В першу чергу на всю довжину тунелю суцільним забоєм проходиться верхня частина перерізу, яка з відставанням 250 – 300 м бетонується. Далі розробляється нижній уступ (уступи), висота яких складає 6 – 10 м, після чого бетонуються стіни і в останню чергу лоток тунелю. Способом нижнього уступу пройдені майже усі тунелі у колишньому Радянському Союзі перерізом більше 100 м², наприклад, будівельні канали Нурекської, Токтогульської, Чарвакської ГЕС, дериваційний тунель Інгурі ГЕС. До переваг способу слід віднести можливість використання високопродуктивного обладнання. Недоліком методу є подовження терміна будівництва у зв’язку з поетапністю зведення тунелю.

У тунелях з перерізом більше 50 м² та довжиною до 300 м, які розробляються у сильно порушених тріщинуватих породах з f = 3 та вище, здатних сприймати навантаження від п’ят зводу з урахуванням в них гірського тиску, використовується метод обпертого склепіння (рис. 9.3).

Рисунок 9.3 – Виконання тунельних робіт методом обпертого склепіння

1–12 – послідовність розкриття перерізу тунелю

Він передбачає проходку спочатку частини склепіння (оводової) 1 та п’ятових 2 штолень на всю довжину тунелю з улаштуванням в них тимчасового кріплення. У штольнях 2 бетонуються п’яти зводів ділянками 8 – 10 м. Далі виконують послідовну розробку ділянок масиву між верхньою та боковими штольнями 3 заходками по 4 – 6 м з влаштуванням бетонного зводу 4,5 до закінчення робіт по всій довжині тунелю. Відстань між суміжними заходками повинна бути рівною 3 – 4 довжинам їх прогонів. Під захистом залізобетонного зводу пошарово розробляється верхня частина ядра 6; далі уступним методом виймається нижня його частина 7 з відставанням захисних штрос 8, 10 з двох сторін тунелю. Наступним етапом є послідовна розробка кожної штроси 8 на

4 – 6 м з наступним її бетонуванням 9, а також розробка штроси 10 та її бетонування 11. лоток тунелю бетонується заходками або зразу на всю довжину тунелю в залежності від стійкості скельного масиву. У обводнених породах по центру лотка проходять додаткову дренажну штольню, яка поєднується із склепінням штольнею.

Метод опорного ядра (рис. 9.4) застосовується під час проходки тунелів великого перерізу та малої (250 – 300 м) протяжності у вельми несприятливих інженерно-геологічних умовах, що представлені дуже порушеними породами

(f = 1 – 2), від яких надається значний гірський тиск і які не спроможні сприймати навантаження від склепіння виробітку.

Рисунок 9.4 – Виконання тунельних робіт методом опорного ядра

І – ІV – етапи розробки перерізу