книги из ГПНТБ / Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения

обуривать забой для следующей заходки. В дальнейшем цикл по­ вторяли.

Шпуры бурили с применением установок СБУ-2 с удлиненными манипуляторами, погрузку породы осуществляли экскаваторами ЭП-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 выра­ ботки 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 крепью на каждой заходке. Крепежная рама или арка состоит из несколь­ ких 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 их обеспечивается металлическими уголко­ выми 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 ее элементы поддерживают на консольной части подхватов. На каж­ дый косяк приходится один-два подхвата, которые закрепляют в хо­ мутах металлическими клиньями, удаляемыми при выдвижении подхватов [41].

Проходка туннеля ведется в следующем порядке. 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 нияшей 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 на 15%. Описываемый способ при­ меняется и при строительстве гидротехнических туннелей в Бол­ гарской Народной Республике [116].

155

Интересно заметить, что проходку в 1963—1964 гг. автодорож­ ного 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 [53]. Метод проходки и конструкция под­ хватов аналогичны описанным выше. Опыт США также подтверждает высокую эффективность метода проходки туннелей сплошным забоем

сприменением металлической арочной крепи и выдвижных подхватов

внарушенных породах средней крепости.

Чтобы избежать необходимости поэлементного раскрытия сече­ ния с поэтапным возведением арочной крепи в нарушенных породах, при отсутствии односторонних нагрузок возможно применение опе­ режающих анкеров в сочетании с металлическими арками. Для этого по контуру выработки примерно через каждые 0,5 м бурят гори­ зонтальные шпуры на глубину 2—4 м параллельно оси туннеля. Эти шпуры заполняют цементно-песчаным раствором и в них вста­ вляют 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 Со­ ветском Союзе этот метод был применен Гидроспецстроем при про­ ходке нарушенных зон в туннеле Арпа-Севан.

На рис. 64 показана схема крепления камеры подземного ма­ шинного зала 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 попереч­ ными арочными подхватами покрывали набрызгбетоном.

При строительстве одного из транспортных туннелей в США пролетом 10 м применяли опережающие анкера длиной 9 м на рас­ стоянии 45 см друг от друга. Анкера устанавливали по своду вы­ работки в скважины, пробуриваемые вдоль туннеля через отверстия в стенке двутавровых балок арочной крепи, арки располагали с шагом 60—120 м по длине туннеля [121].

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 [43, 83]. Принцип этой системы состоит в возведении жесткой арми­ рованной бетонной крепи (обычно толщиной 20—30 см) вслед за проходкой забоя с применением специальных опалубочно-арматур­ ных щитов различных размеров и форм (рис. 65). Эти щиты размером примерно 1 X 1,2 м представляют собой тонкую (1; 2 и 3 мм, массой

156

в- в 3

Рис. 64. Схема крепления камеры е применением опережающих анкеров:

1 — арматурные стержни диаметром 30—40 мм, закладываемые в незаряженные шпуры предварительного щелеобразования диаметром 57—64 мм; 2 — стальные подхваты; 3 — анкера, удерживающие подхваты; 4 — заряжаемые шпуры предвари­ тельного щелеобразования при контурном взрывании

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, за­ полняет 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 процессе вибрирования бетонная смесь проникает через

157

Рис. (iß. Туннель, закрепленный по методу Бернольда: а — общий вид; б — деталь крепления

158

отверстия в щитах и омоноличивает конструкцию (рис. 66). В ка­ честве антикоррозийной защиты осуществляют торкретирование поверхности щитов после окончания бетонирования. Торцовую опа­ лубку выполняют из щитов аналогичного типа. После затвердевания бетонной смеси (через 1,5—2 суток или ранее при применении уско­ рителей твердения) монтажные арки передвигают вперед, причем каждые 2—3 арки соединены в единую конструкцию и после раскружаливания перемещаются на тележках без их демонтажа.

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 боковые стойки монтажных арок, за них закладывают опалубочные щиты и осуществляют бетонирование стен выработки. Возможно при­ менение также двойной оболочки из щитов Бернольда.

Описываемый метод получил уже достаточно широкое распро­ странение. 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 забетони­ ровано 25 тыс. м2 туннеля. Этим методом в Швейцарии были закреп­ лены туннели специального назначения площадью до 120 м2, желез­ нодорожный туннель площадью 106 м2 длиной 3 км и другие тун­ нели. 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 вы­ работках общей длиной около 200 км.

К основному преимуществу проходки туннелей с креплением по системе Бернольда относится возможность быстрого создания ин­ дустриальной 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

159

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.

Проходка сплошным забоем с комбинированной крепью

такой несущей крепи, которая упрочняет окружающую породу и вовлекает ее в работу. Одним из элементов этой крепи являются анкера (обычные или с предварительным напряжением), другим — набрызгбетон. В ряде случаев под защитой покрытия из набрызг­ бетона производят цементацию окружающего выработку горного массива.

Комбинированную крепь можно возводить сразу по всему пери­ метру выработки или по отдельным его участкам. Во втором случае фронт проходки забоя может оказаться растянутым на 30—50 м (рис. 67).

Использование способа проходки выработок сплошным забоем

сприменением комбинированной крепи покажем на примере строи­ тельства Нурекской ГЭС.

Участок туннеля шириной 11,6 ми высотой 7,6 м на длине около 230 м проходил в слабых скальных породах, представленных пере­ слаивающимися 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

сприменением металлической арочной крепи, однако вывалы породы привели к необходимости немедленной остановки забоя и бетониро­ вания туннеля. Возник вопрос о переходе на штольневые способы проходки. Тем не менее, было решено проверить возможность про­ ходки 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 исполне­

нию.

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 песча­ ника, 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

160

Рис. 67. Схема проходки транспортного туннеля площадью примерно 150 м£ с применением комбинированной крепи [102]:

выбирали в зависимости от расположения пластов и их устойчивости в центральной части забоя. Взрывчатые вещества применяли пони­ женной работоспособности. Величина заходки 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 мон­ тажного гидроподъемника с шарнирной стрелой. Анкерную крепь

из железобетонных анкеров глубиной 2,8 м с шагом 1 м устанавли­ вали 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 марк­ шейдерские 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 про­ ходки туннеля возросла в 1,7—1,8 раза.

Проходка сплошным забоем с податливой крепью (новоавстрийский способ)

При этом способе, предназначенном для слабых пород, подзем­ ную 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 внутрен­ ней крепями предусматривается изоляция (рис. 68).

Обычно наружная крепь представляет собой покрытие из набрызг­ бетона, 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 по­ стоянной крепи при новоавстрийском способе в результате пере­ распределения нагрузок и усилий значительно уменьшается по сравнению с толщиной крепи при других способах [109].

По данным Л. Рабцевича, с использованием новоавстрийского способа сооружено в различных странах большое число туннелей. Между тем за рубежом на конференциях и коллоквиумах по под­ земному строительству последние годы ведутся серьезные дискуссии о целесообразности применения новоавстрийского способа, поскольку он допускает деформации горного массива и приводит к опасным и большим осадкам поверхности выработок (до 15 см). Кроме того, способ требует организации и проведения в течение не менее трех месяцев после вскрытия выработки трудоемких наблюдений за состоянием окружающей породы и ее деформациями, эффективность

162

г

Рис. 68. Последовательность опе­ раций при проходке туннеля по новоавстрийскому способу:

1— набрызгбетон;

2— бетон;

3 — сетка и изоляция;

способа зависит от полученных результатов измерений, хотя их надежность не может быть гарантирована.

Анализ опыта применения новоавстрийского способа показывает, что в некоторых породах он приводит к существенному снижению

и деформаций массива. Момент начала бетонирования обратного свода (замыкание крепи) и возведения внутренней несущей крепи может быть определен по графикам натурных измерений деформаций породы (см. рис. 58 и 61).

Эффекту снижения общей толщины крепи туннеля способствуют обстоятельства, связанные как со свойствами массива породы, окружающей выработку, так и с конструкцией крепи. Как показали исследования Н. Н. Маслова, в породах определенного класса при наличии гибких крепей имеют место ослабления давления на крепь туннеля во времени как выражение процесса релаксации в условиях проявления упругого последействия [39]. Этот фактор позволил объяснить явления, происшедшие в Ладжанурском туннеле, и пред­ ложить оптимальное решение задачи [39, 52]. В туннеле диаметром 6 м, проходящем в третичных песчаных глинах и глинистых песча­ никах, в результате всевозрастающего горного давления (до 60 тс/м2) на значительном протяжении оказались раздавленными чугунные тюбинги крепи. Возник вопрос о замене сломанных тюбингов мощной железобетонной крепью. Однако в свете указанных выше положений было решено отказаться от такой крепи, дать возможность проявиться в полной мере упругому последействию, после чего заменить раз­ давленные тюбинги новыми. Этот план был осуществлен и с тех пор

туннель работает удовлетворительно. Описанный пример полностью может быть отнесен к новоавстрийскому способу.

Использование разгрузки горного массива с допущением зна­ чительных осадок поверхности туннелей имеет место также в горных выработках относительно небольших размеров, закрепленных ме­ таллической податливой крепью. Когда опускание пород прекра­ щается, гайки хомутов затягивают, в результате чего крепь превра­ щается в жесткую. Этот момент соответствует возведению внутрен­ ней крепи при новоавстрийском способе работ. Анализ условий

Известно, однако, насколько сложным является процесс об­ жатия податливой крепи, с какой осторожностью необходимо ре­ гулировать во времени затяжку хомутов и их выравнивание, осу­ ществлять установку арок под определенным углом к направлению нагрузок и простиранию слоев во избежание потери аркой продоль­ ной устойчивости или перекоса зажимных хомутов.

Авторы новоавстрийского способа, обосновывая его надежность , приводят ряд теоретических расчетов тонкостенной наружной кон­ струкции крепи, подтверждающих ее высокую эффективность, осо­ бенно в породах с низкой прочностью. Тонкая крепь, плотно примы­ кающая к породе, как установлено, в работах [102] и ]115], разру­ шается в основном не от действия изгиба, а от сдвига, причем этот вид разрушения, по мнению Л. Рабцевича, не представляет опасности для конструкции, поскольку нарушения от действия сдвига не при­ водят к излому крепи, а закрываются при снятии нагрузки или при ее установившемся состоянии. Действительно, исследования, проведенные в 1970—1971 гг. Ю. С. Фроловым под руководством Ю. А. Лиманова на моделях из эквивалентных материалов, под­ твердили характер разрушения тонкостенных набрызгбетонных оболочек и установили, что при этом исключается возможность появления таких изгибающих моментов, которые способны вызвать растяжение и излом крепи.

Следует, однако, отметить, что расчеты и исследования отно­ сятся к туннелям с гладким очертанием поверхности. В реальных же условиях контур выработки значительно отличается от теоре­ тического, осадки контура происходят неравномерно по периметру и перенос имеющихся результатов непосредственно на натуру не всегда окажется обоснованным.

На основании изложенного можно прийти к следующим выводам о применении новоавстрийского способа.

Способ применим в весьма специфических горно-геологиче­ ских условиях (глины, песчаные и глинистые сланцы, пластичные мергели, аргиллиты и другие подобные связные грунты), породы должны обладать свойствами затухающей ползучести, не допускать возможность появления явно выраженных односторонних нагрузок, способных вызвать излом тонкого набрызгбетонного покрытия,

164