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

Рис. 74. Схема разработки строительного туннеля Хантайской ГЭС:

а — верхняя часть сечения; б — нижний уступ; 1 — буровые подмости; 2 — автопогруз­ чик; 3 — автосамосвал; 4 — экскаватор; 5 — буровой станок; 6 — скважины

Поскольку было решено бетонирование провести на полное сече­ ние туннеля, с октября 1968 г. со стороны портала приступили к разработке нижнего уступа высотой 5,4 м. Интенсивность работ была достаточно высокой, так как уступ обуривали вертикальными скважинами. За один раз подрывали участок длиной от 90 до 120 м.

Особое внимание уделяли обеспечению устойчивости арочной крепи сводчатой части при разработке нижнего уступа. Нижнюю

с проходкой уступа эти целики удалялись и под горизонтальную балку, на которую опирались арки, подводили стойки; их устанавли­ вали на готовые железобетонные плиты размером 80 X 100 см при толщине 35 см. Однако в процессе проходки обнаружилась подвижка опорных плит, поэтому для повышения устойчивости стен пришлось дополнительно установить в них через каждые 1,5 м анкера глуби­ ной по 3 м.

Вопрос обеспечения устойчивости арочной крепи при разработке нижнего уступа в том случае, если до начала этой разработки не был возведен бетонный свод, является достаточно сложным.

Решение, примерно аналогичное описанному выше (уступ разра­ батывали без оставления боковых целиков) по обеспечению устой­ чивости арочной крепи в своде в процессе разработки нижнего уступа, было принято в 1970—1971 гг. при проходке двух туннелей подковообразного очертания размером 11 X 11 м, длиной по 1,7 км, расположенных на расстоянии всего 12 м один от другого на авто­ магистрали в штате Виргиния, США. Туннель разрабатывали в оса­ дочных породах средней крепости, по трассе его есть зоны слабой

в штате калифорния, США, в 1964 г. Туннель длиной 1,1 км, ши­ риной 14,3 м и высотой 12 м проходили в сильнотрещиноватых песчаниках и глинистых сланцах. Работы вели способом нижнего уступа. В первую очередь проходили боковые штольни размерами 1,8 X 2,4 м, в которых устанавливали опоры для металлической арочной крепи. С отставанием от 7 до 23 м с применением буровой рамы разрабатывали верхнюю часть сечения туннеля высотой 6,7 м. Арочную крепь выполняли из широкополочных балок высотой 36 см и устанавливали через каждые 90 см на опоры. Затем по почве тун­ неля устраивали поперечные траншеи глубиной 1,8 м, из которых специальной установкой пробуривали скважины диаметром 60 см на глубину 3 м. Эти скважины после установки в них арматуры заполняли бетоном. Образовавшиеся сваи соединяли с опорными брусьями арочной крепи пилястрами из монолитного бетона. Рас­ стояние между сваями вдоль туннеля составляло 1,8—2,4 м. После того как арочная крепь верхней части сечения по всей длине была оперта на сваи и пилястры, был разработан нижний уступ и забето­ нированы стены и свод туннеля.

Как отмечалось выше, обычно после проходки верхней части се­ чения туннеля бетонируют свод (если он предусмотрен) и лишь затем приступают к разработке нижнего уступа. При этом в боль­ шинстве случаев еще до бетонирования выносных пят свода бурят вдоль стен вертикальные скважины предварительного откола породы. Чтобы ослабить сейсмическое действие взрыва скважин в уступе

Рис. 75. Схема разработки уступа с ос­ тавлением породы в уступе:

I — V I — этапы сооруж ения камеры

на бетонный свод, в Канаде в 1967 г. была применена оригинальная схема разработки уступа высотой 10,5 м и шириной 25 м (рис. 75). На третьем — пятом этапах взорванную породу в боковых частях

Этот способ применяют в туннелях большого сечения, разраба­ тываемых в нарушенных трещиноватых породах с коэффициентом крепости / = 3 и выше, способных воспринять давление от пят свода обделки с учетом всех нагрузок, действующих на свод.

Практикуют две схемы последовательности выполнения операций при сооружении выработок способом опертого свода (рис. 76). Первая из этих схем (рис. 76, а) рекомендуется преимущественно при сооружении туннелей длиной до 300 м в неводоносных грунтах, вторая (рис. 76, б) — в туннелях длиной более 300 м или в коротких туннелях, расположенных в водоносных грунтах. По второй схеме штольни 1 я 3 соединяют воронками 2 и наклонными сбойками для подачи на верхнюю штольню длиномерных материалов. Расстояния между воронками составляет обычно 10—15 м, между наклонными сбойками 25—30 м.

Калотты 3—5 и 5—7 раскрывают на длину 4—6 м и бетонируют с интервалами в 1—3 участка в зависимости от инженерно-геологи­ ческих условий, причем смежные участки калотты разрабатывают после достижения бетоном свода не менее 60-процентной проектной прочности. Среднюю часть уступов 7 и 9 необходимо разрабатывать после достижения бетоном свода проектной прочности. Боковые

178

Рис. 76. Схема последовательности операций ?при сооружении выра­ боток способом опертого свода:

а— одноштольневая; б — двухштольневая; 1— 14 — этапы разработки

о3 6 , 6 м

Рис. 77. Схемы разработки выработок по способу опертого свода:

а — туннель Вианден; б — машинный зал Чибро; в — камера Копе; 1— 13 — этапы разработки

целики удаляют по участкам в шахматном порядке и бетонируют стены. При этом не должно быть совпадения вертикальных рабочих швов свода и участков стен. Описанная последовательность работ считается классической и применяется при строительстве туннелей уже около 150 лет.

Последние годы при сооружении выработок большого сечения эти схемы несколько модернизированы, без изменения принципиаль­ ной очередности выполнения работ. Это касается главным образом методов раскрытия подсводной части выработок. Например, пока­ занная на рис. 76 последовательность раскрытия и бетонирования калотт (1—6 и 3—8) не является характерной для классического способа опертого свода, по которому расширение подсводной части сечения осуществляют с помощью громоздкой и трудоемкой дере­ вянной веерной крепи (лонгарины, штендера, унтерцуги и др.).

Современная крепь выработок (металлические арки, набрызгбетон, обычные и предварительно-напряженные анкера и др.) позволяют отказаться от деревянной крепи и тем самым видоизменить этапы разработки как подсводной части, так и уступа выработки. В ряде случаев бетонные свод и стены вообще не требуются, кровлю закреп­ ляют глубокими анкерами, в результате чего образуется породно­ анкерный свод с пятами, развитыми в сторону горного массива. При этом, однако, для обеспечения устойчивости выработки последова­ тельность поочередной разработки уступов и крепления стен сравни­ тельно небольшими по высоте участками сохраняется, как и при наличии бетонной крепи. Раскрываемые элементы сечений укрупня­ ются, закрепление их происходит таким образом, чтобы не возникала опасность повреждения крепи при взрыве зарядов в соседних эле­ ментах выработки.

В зависимости от прочности и степени устойчивости пород раз­ работка верхней части выработок может быть осуществлена одним из методов, описанных в двух предыдущих параграфах (сплошным забоем, уступным способом).

Рассмотрим несколько современных примеров применения спо­ соба опертого свода, в частности с разработкой верхней части вы­ работок уступным способом.

На рис. 77 показана схема разработки выработок по способу опертого свода. На рис. 77, а в туннеле Вианден в первую очередь в калотте разрабатывали центральную часть 1, затем боковые части 2. Далее бетонировали свод с выносными пятами, заглубленными в породу. После окончания бетонирования свода на всю длину тун­ неля проходили среднюю часть уступа 3 и бетонировали лоток тун­ неля. Наконец, в шахматном порядке участками разрабатывали боковые части уступа 4 и 5 и в них бетонировали стены.

На рис. 77, б показана схема разработки строящегося в настоящее время подземного машинного зала Чибро в Индии. Породы предста­ влены трещиноватыми известняками и сланцами. Зоны тектонических нарушений имеют протяженность до 5 м. Сооружение подсводной части камеры было начато с проходки двух боковых штолен 1 и уста­

180

новки в них опор 2 для бетонного свода. После этого была пройдена на всю длину камеры штольня 3, проведено поэтапное расширение сечения 4 и осуществлено бетонирование свода 5.

Разработка уступа вначале была выполнена в центральной части на глубину 10 м в два этапа. Затем последовательно с каждой сто­ роны камеры проходили по три боковых уступа (8—10) высотой по 3 ми закрепляли стены набрызгбетоном и предварительно-напряжен­ ными анкерами. Далее разрабатывали уступы 12 (в средней части) и 11 (в боковых частях). Работы были закончены проходкой нижнего уступа 13.

Примерно аналогичным методом с середины 1970 г. начали

с поэтапным закреплением выработки.

Следует отметить, что в крепких породах бетонные стены могут быть возведены на всю высоту выработки после окончания разработки уступа. В менее крепких, но сравнительно устойчивых породах стены надо бетонировать и анкеровать к породе после снятия каждого слоя уступа по всей ширине и длине выработки. В породах средней крепости после проходки каждого слоя целики вдоль стен разраба­ тывают отдельными участками в шахматном порядке и на этих участках возводят стены, как это выполнялось в описанных примерах.

В сильнонарушенных породах вдоль стен следует разрабатывать траншеи на высоту слоя (обычно не более 2 м), в которых уста­ навливают крепь и опалубку, а затем бетонируют участок стены. По достижении расчетной прочности бетона можно осуществлять разработку уступа на высоту слоя.

Представляют интерес подземные работы по сооружению в 1967 г. камеры Копе в Австрии способом опертого свода (рис. 77, в). Камера с вертикальными стенами и сводчатой кровлей предназначена для размещения турбоагрегатов, электрооборудования и затворов, имеет длину 70 м, ширину от 25,8 до 27,7 м, высоту 30 м и располагается в амфиболитах.

Разработка камеры была начата со сводчатой ее части. В первую очередь из подходной штольни раскрыли поперечную прорезь дли­ ной 10 м на всю ширину свода камеры. Далее из этой прорези прошли две боковые штольни 1 площадью по 57 м2 вдоль пят свода на всю длину камеры. После каждой заходки кровлю штолен укрепляли анкерами длиной 2—3 м, металлической сеткой и слоем набрызгбетона толщиной 10 см. Особенно тщательно крепили штольню, расположенную со стороны висячего бока. Кроме того, в качестве элемента постоянной крепи устанавливали железобетонные анкера глубиной 5—7 м. Усилие натяжения анкеров до 15 тс.

181

Следующей стадией явились работы по проходке промежуточного целика 2 площадью 66 м2. Кровлю крепили так же, как и в боковых штольнях.

Наибольшая высота разработки подсводовой части камеры была задана 8,5 м, исходя из условия установки в замке свода предва­ рительно напряженного анкера глубиной 7 м.

На расстоянии 20 м от забоя промежуточного целика участками по 5 м возводили железобетонную крепь свода, которую опирали на боковые железобетонные балки. Свод имел толщину 60 см в замке и 80 см в пятах. После заполнительной цементации приступили

кразработке уступа.

Впервую очередь разрабатывали центральную часть 5, затем боковые части 6 я 7 шириной по 4 м. При разработке боковых частей применяли метод предварительного щелеобразования. Стены крепили набрызгбетоном толщиной 10—15 см с металлической сеткой и уста­ навливали железобетонные анкера, усилие натяжения которых

составляло до 20 тс. Такая система была применена при разработке двух слоев уступа высотой по 6,5 м каждый. Три последующих слоя 11—13 на общую высоту 8,5 м разрабатывали последовательно на всю ширину камеры без оставления боковых целиков. Уборку породы осуществляли гусеничными и колесными погрузчиками в автосамосвалы грузоподъемностью 10 и 14 т.

Все проходческие работы по камере с объемом выломки 40 тыс. м3 были завершены в течение одного года.

В нарушенных породах, не позволяющих раскрывать верхнюю часть выработки на длину, превышающую 4—10 м, а также в более крепких породах при ширине выше 20 м целесообразно разработку подсводовой части выработки вести с устройством контурной прорези. Работы при этом начинаются с проходки направляющих ходов вдоль выработки. Обычно проходят три хода, из них два по бокам на уровне пят свода и один — в шелыге свода. Между верхним и бо­ ковыми ходами устраивают наклонные воронки, расширяемые затем до размеров контурных прорезей (3—5 м), в которых осуществляют бетонирование свода. Прорези разрабатывают на длину 6—10 м с оставлением целиков между ними длиной по 5—20 м. При бетони­ ровании свода кружала опирают на уступ породы между направля­ ющими ходами, по окончании бетонирования свода этот уступ раз­ рабатывают. Проходку прорезей и бетонирование свода' можно про­ изводить на разных участках по длине выработки и совмещать во времени.

Если породы достаточно устойчивы, контурную прорезь вы­ полняют на длину выработки до 100 м без оставления промежуточных целиков. В этом случае проходку прорези ведут вдоль выработки, а высоту прорези выбирают из условия возможности механизации работ по погрузке и транспортированию породы. В процессе про­ ходки кровлю закрепляют (набрызгбетоном, арками, анкерами, армофермами), а затем бетонируют.

182

Основным достоинством использования контурной прорези при проходке верхней части выработки является относительная без­ опасность работ и большая устойчивость крепи при минимальной высоте закрепляемого пространства. Следует, однако, отметить, что при разработке отдельных каллот возникает сложность в орга­ низации выдачи породы по направляющим ходам с различных од­ новременно разрабатываемых участков и выдачи бетона на другие участки. Кроме того, наличие большого количества вспомогательных

выработок малого объема не позволяет механизировать в полной мере процессы до окончания бетонирования всего свода. Сложно также обеспечить проектный контур по своду выработки в процессе производства буровзрывных работ.

Способ опертого свода с применением контурной прорези про­ иллюстрируем примером проходки двух туннелей в Индии диаметром по 11 м, длиной 555 и 713 м.

Туннели располагались в выветривающихся нарушенных сло­ истых песчаниках и глинистых сланцах, которые на большей части трассы сохраняли устойчивость после вскрытия забоя на время не более 3—4 ч.

Схема разработки туннеля показана на рис. 78. В первую оче­ редь проходили верхнюю штольню 1 шириной 2,4 м, затем боковые штольни 2 размером 1,8 X 1,8 м. В боковых штольнях устанавли­ вали элементы опорных балок арочной крепи из двутавров высотой 300 мм и шириной 125 мм. Эти элементы укладывали на металличе­ ские плиты размером 600 X 600 мм, толщиной 20 мм. Плиты и опор­ ные балки бетонировали. Далее штольни 1 и 2 соединяли между собой прорезями 3, в которых через каждые 60 см монтировали арочную крепь, соединяя ее с опорными балками. Отставание крепи от забоя прорезей допускали не более 1,2 м, а на благоприятных участках — до 3,6 м. Арки целиком обетонировали, на отдельных участках бетон поднимали на высоту только 2,4 м.

После закрепления кровли на длину 60 м участками по 3 м взрывали заряды в уступе 4, затем работы по проходке верхней части сечения туннеля продолжали в том же порядке.

183

Нижний уступ разрабатывали в две стадии. Вначале проходили среднюю часть уступа 5 участками длиной до 15 м, затем разрабаты­ вали боковые штроссы 6 и замыкали арочную крепь. Все соединения элементов крепи обваривали.

Уборку породы на верхнем уступе вели погрузочными машинами «Эймко-630» в думперы, на нижнем уступе был применен погрузчик типа «Катерпиллер» на гусеничном ходу с ковшом емкостью 1,5 м3.

из монолитного бетона по всему периметру выработки. Для этой цели вначале был забетонирован обратный свод и засыпан породой, которая использовалась как опора для путей передвижной опалубки. Работы по строительству туннелей были закончены в 1970 г.

§ 14. Способ опорного ядра

Выработки но этому способу сооружают в следующем порядке: проходят боковые штольни под стены; возводят стены; проходят верхнюю штольню; раскрывают калотты; возводят свод, опирающийся пятами на готовые стены; разрабатывают породное ядро. В ряде случаев по оси выработки устраивают нижнюю штольню, по ко­ торой осуществляют транспортирование породы при разработке боковых и верхней штолен.

Практикой установлено, что боковые штольни для возведения стен следует проходить на всю длину сооружаемого по способу опертого свода участка выработки. В случаях, когда для устройства стен предусматривается несколько ярусов боковых штолен, про­ ходку очередного верхнего яруса начинают только после окончания бетонирования нижележащей части стены и достижения бетоном определенной прочности. Пазухи между бетонной стеной и крепью штольни плотно забучивают.

Раскрытие калотты осуществляют кольцами по 4 м с интервалами в 2—3 кольца. В более благоприятных породах длину колец увели­ чивают до 10—15 м. После проходки такого кольца на этом участке возводят бетонный свод, а затем возобновляют проходку (без оста­ вления целиков).

Разработку опорного ядра (уступа) начинают после достижения бетоном свода проектной прочности.

Характерный пример применения способа опорного ядра при проходе в туннеле большого сечения показан на рис. 79. Способ опорного ядра с успехом применен в Японии на участках слабых пород при строительстве двухпутного железнодорожного туннеля, сданного в эксплуатацию в 1971 г. Этот туннель длиной 17 км, проходит в обводненных гранитах различной крепости, вплоть до раздробленных, пересеченных многочисленными тектоническими сбросами. Сечение туннеля подковообразное, в проходке имеет

184

размер 9,3 X 9,5 м. Скорость сооружения готового туннеля с бе­ тонной крепью составила в среднем около 700 м в год с каждого из 11 забоев.

Способ опорного ядра по описанной классической схеме весьма трудоемкий и дорогой, поэтому его применение целесообразно ограничивать в первую очередь короткими выработками или их участками (длиной до 300 м). В туннелях большого сечения этот способ обычно применяют в слабых породах (/ = 1 4-2), оказы­ вающих горное давление и не способных воспринять нагрузку от свода выработки.

Рис. 79. Применение способа опорного ядра при проходке туннеля:

I — I X — этапы разработки

Вместе с тем проходка туннелей по способу опорного ядра в слож­ ных инженерно-геологических условиях является наиболее на­ дежной по сравнению со всеми другими способами. При этом спо­ собе обеспечивается непрерывность бетонирования крепи в на­ правлении снизу вверх и достигается минимальная осадка кружал, опирающихся на центральное ядро.

Указанное выше ограничение по инженерно геологическим усло­ виям для применения способа опорного ядра не является очевидным для камерных выработок пролетом более 20 м. Для таких выработок, расположенных в сравнительно устойчивых породах средней крепости, способ опорного ядра оказывается конкурентоспособным с другими способами не только по обеспечению устойчивости выработки в про­ цессе ее строительства, но и по технико-экономическим показателям. Это вызвано тем, что способ опорного ядра, обеспечивая безопасность подземных работ в сложных условиях, позволяет осуществить разработку ядра — основного объема породы в камере — с помощью высокопроизводительных средств механизации буровзрывных и по­ грузочно-транспортных работ.

185