Элементы конструкций тоннелей:

В процессе выполнения горных работ внутри породного массива с целью разведки и добычи полезных ископаемых, проведения инженерно-геологических изысканий и строительства подземных сооружений в земной коре образуется полость, которую называют горной выработкой.

По положению в пространстве выработки разделяют на горизонтальные, наклонные и вертикальные.

Тоннель является горизонтальной или наклонной выработкой и имеет две части: верхнюю сводовую, называемую калоттой, и нижнюю, называемую штроссой (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1. Горизонтальный тоннель: 1 – Тоннель; 2 – калотта; 3 – штросса; 4 – штольня; 5 – кровля; 6 – Подошва; 7 – забой; 8 – заходка

Выработка меньшего поперечного сечения, служащая для вспомогательных целей при строительстве тоннеля, называется штольней. Горизонтальные выработки имеют кровлю, стены и подошву. Торец выработки, в котором разрабатывают породу, называется забоем.

Вертикальные горные выработки, имеющие выход на поверхность и предназначенные для обслуживания подземных работ, носят название шахтных стволов. Ствол имеет устье – верхнюю часть, собственно ствол, околоствольную выработку (шахтный двор), соединяющую ствол с горизонтальными выработками, обычно штольнями, и водосборник (зумпф) (рисунок 4.2). В поперечном сечении стволы имеют круглую или прямоугольную форму.

Рисунок 4.2. Вертикальная выработка:1 – штольня; 2 – устье ствола; 3 – шахтный ствол; 4 – околоствольная выработка (шахтный двор); 5 – водосборник (зумпф)

Конструкция горной выработки, служащая для поддержания ее в безопасном состоянии и выполняемая из бетона, монолитного или сборного железобетона, а также из чугунных тюбингов, называется обделкой или постоянной крепью и состоит из свода, стен, обратного свода или лотка (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3. Элементы тоннельной обделки: 1 – свод; 2 – стена; 3 –обратный свод (лоток).

В крепких породах обделка состоит из верхнего свода и стен или даже из одного верхнего свода.

Конструкции временных крепей тоннелей:

С целю, исключения обвала кровли применяются различные конструкции крепей, которые должны удовлетворять следующим требованиям: обладать пространственной жёсткостью и геометрической неизменяемостью, минимальным объёмом материала крепи и перебора породы, простотой конструктивных элементов и удобством их установки, возможностью усиления крепи и ее инвентарного использования.

Крепи по материалу бывают: деревянные, металлические и комбинированные.

Самым популярным являются деревянные крепи, однако они имеют ряд недостатков: требуется излишний перебор породы из-за необходимости смещения концов досок в сторону выработки после их частичной забивки и другие.

Более совершенной и удобной в работе являются стальная кружальная и деревянная полигональная крепи. При проходке в крепких - скальных породах применяют стальную арочную крепь, простейшая конструкция которой выполняется в виде двух полуарок, соединяемых в замковой части и устанавливаемых непосредственно на породу (рисунок 4.4). Эта конструкция применима в случае, когда нет необходимости крепить стены выработки.

Рисунок 4.4. принципиальная конструкция арочной крепи опертой на породу.

При необходимости крепить выработку на полный профиль в конструкцию крепи вводят промежуточные элементы - двутавровые балки, укладываемые под пяты арок после раскрытия калотты, а при последующей разработке нижней части профиля подводят стойки в плоскости арок и скрепляют их с промежуточными балками (рандбалками) на болтах (рисунок 4.5). Роль рандбалок сводится к поддержке арок во время взрывания нижней части.

Рисунок 4.5 Принципиальная конструкция арочной крепи на полный профиль.

При способе опорного ядра стальную крепь можно применять по следующей схеме (рисунок 4.6)

Рисунок 4.6 Принципиальная конструкция крепи при способе опорного ядра.

Стальную крепь особенно целесообразно применять в безлесных районах, а также при проходке тоннелей большого протяжения, где можно эффективно создавать большой фронт бетонных работ.

Полигональная крепь представляет собой сочлененную из деревянных элементов (1,5-2 м) конструкцию, которую ставят по контуру выработки вслед за разработкой забоя (рисунок 4). Эта конструкция должна быть тщательно расклинена в породе во избежание её геометрической изменяемости.

Рисунок 4.7 Принципиальная конструкция полигональной крепи.

Рассмотренные виды контурной крепи ограничивают развитие остаточных деформаций окружающих горных пород и, следовательно, рост горного давления, поддерживая кровлю выработки снизу. При этом элементы крепи подвергаются в основном сжатию. Наличие многочисленных сопряжений этих элементов, обминаемых под нагрузкой, а также легко деформируемого заполнения между крепью и контуром выработки (клинья, прокладки) является причиной недостаточной жесткости арочной крепи. Крепь этого вида не в состоянии остановить процесс развития деформаций кровли, а длительное пребывание кровли на временной крепи связано с нарастанием горного давления.

На совершенно ином принципе основано применение анкерной крепи, нашедшей достаточно широкое применение в горной промышленности и успешно внедряемой в тоннелестроении.

Принцип устройства и работы анкерной крепи заключается в следующем (рисунок 4.8). В шпур, пробуренный в кровле (или стене) выработки, вводят стальную штангу 3, на одном конце которой имеется анкерная головка 1, а на другом — резьба, служащая для навинчивания гайки 4.

При помощи анкерной головки 1 обеспечивается надежное закрепление штанги в шпуре, после чего на ее нижний конец надевают опорную шайбу 5 и завинчиванием гайки достигают натяжения штанги с силой N. При этом происходит обжатие породы в объеме, ограниченном линиями 2, и предотвращается отделение блоков породы друг от друга под действием сил тяжести. Одновременно в результате обжатия на контакте между пластами возникают силы трения, препятствующие взаимному сдвигу пластов и частиц породы, нарушенной в результате раскрытия выработки.

Рисунок 4.8 Принципиальная конструкция анкерной крепи.

Прочность и жесткость кровли, усиленной анкерами, значительно возрастают. Затяжка штанг способствует повышению несущей способности кровли, создает возможность ее использования для восприятия давления пород, расположенных над выработкой. Анкерная крепь является крепью принципиально нового типа, так как она не только поддерживает кровлю сверху, но и превращает ее в конструктивный элемент, способный выдержать значительные нагрузки.

Наряду с указанными достоинствами анкерная крепь обладает по сравнению с другими видами крепи следующими преимуществами: некоторое увеличение производительности машин и механизмов, работающих в совершенно свободной выработке; возможность механизации крепежных работ с уменьшением затрат времени и увеличением скорости проходки; сокращение расходов на перевозку крепежных материалов; устранение опасности повреждения крепи при взрывании; уменьшение сопротивления выработки движению воздушной струи и возможность сокращения времени проветривания.

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