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

Рис. 80. Последовательность выполнения работ по строительству камеры в Италии способом опорного ядра:

I — X — этапы сооружения камеры

186

П л а н

На рис. 80 показана последовательность выполнения работ по строительству камеры в Италии способом опорного ядра. Высота этой камеры 27 м, ширина 30 м, длина 122 м, площадь поперечного сечения около 500 м2, объем скальной выломки 60 тыс. м3, а бе­ тонной крепи — 2,2 тыс. м3.

Еще в процессе изысканий в шелыге свода камеры была пройдена разведочная штольня, позволившая детально оценить состояние породы. Разработку камеры начали с проходки двух нижних боковых штолен площадью по 15—20 м2 (этап /). Затем отдельными кольцами с оставлением целиков из этих штолен вверх проходили выработки вдоль обеих стен (этапы I I —IV). С определенной высоты было начато бетонирование стен (этап V). Боковые кольцевые выработки смыкали в вершине свода, причем породу при этом размещали между бетонными стенами и основным ядром (этап VI) с тем, чтобы позднее ее можно было убрать при разработке ядра. На этапе VII показан процесс бетонирования верхней части свода в пределах кольцевой выработки с применением переставной опалубки.

После окончания возведения постоянной крепи из бетона но всей длине камеры (этап VIII) приступали к разработке опорного ядра высотой около 20 м скважинным методом (этапы I X и X). Разработка камеры и возведение постоянной крепи из бетона заняли примерно один год.

Описанный способ весьма характерен для подобных камерных выработок в Италии. Практикой установлено, что при больших пролетах в породах средней крепости этот способ обеспечивает полную безопасность подземных работ.

187

Разработка основного массива породы при способе опорного ядра производится методами, описанными выше. Кроме того, прак­ тикуется отработка ядра отдельными воронками. В этом случае блоки вокруг вертикальных воронок, соединяющих между собой гори­ зонты подходных выработок, разрабатывают постепенным расши­ рением воронок в виде ступенчатого конуса, направленного вершиной вниз. Размеры блоков в плане 15 X 15 или 20 X 20 м, а по высоте 15—20 м. В нижней части воронок устраивают затворы с тем, чтобы обеспечить магазинирование породы и организованный выпуск ее в вагонетки или автомашины, передвигающиеся по нижнему го­ ризонту. Такая разработка оказывается целесообразной преиму­ щественно при наличии вертикальных или наклонных подходов, препятствующих применению крупногабаритных погрузочных средств. Наличие целиков между воронками у их основания требует осторожного ведения буровзрывных работ при расширении нижних частей воронок, а также при обрушении нижних слоев на откаточные горизонты. Повышается также трудоемкость работ при устройстве воронок, их оборудовании затворами и расширении.

Разработку слоев породы можно осуществлять не только через центральные, но и через боковые воронки, которые устраивают для сооружения колонн подкрановых балок вдоль стен камеры. После бетонирования колонн такие воронки используют для сбра­ сывания породы, как это было сделано в подземных машинных залах Севанской ГЭС в Советском Союзе и Ампеццо в Италии.

Рассмотрим современные модификации способа опорного ядра на отдельных примерах.

Для строительства односводчатых станций полуциркульного очертания на метрополитене обычно применяют способ опорного ядра. В первую очередь проходят выработки для опор свода и бето­ нируют. Вслед за этим начинают разработку прорези для свода и возведение сборной напряженной крепи свода. После окончания работ по своду, экскаватором срабатывает основной уступ между опорами.

Таким образом была построена станция парижского метрополи­ тена «Этуаль» длиной 225 м, которую проходили в мергелях и га­ лечниках. Породу в прорези разрабатывали отбойными молотками заходками по 0,8 м. Кровля поддерживалась продольными метал­ лическими балками при расстоянии между ними 1 м. Одним концом балки опирались на последнюю уложенную арку, другим — за­ глублялись в породу. Скорость проходки прорези, устройства свода и его напряжения составила 20 м/мес. Примерно аналогичным образом также на парижском метрополитене возводили станцию «Обер».

Примером применения сквозной кольцевой щели вокруг выработ­ ки для установки постоянной крепи до начала разработки основного массива может служить строительство подземного машинного зала гидроаккумулирующей станции Онгрен (Вейто) в Швейцарии [118]. Породы представлены слоистыми известняками и сланцами с гли-

188

Рис. 81. Модифицированный способ опорного ядра при проходке круп­ ной выработки в крепких породах:

нистыми прослоями. На стадии изысканий было установлено, что при пролете выработки более 3,5 м породы переходят в неустойчи­ вое состояние, и необходимо применять крепь. Камера машинного зала имеет полуциркульное очертание, ширина 30 м, наибольшая

высота 27 м, длина 138 м, объем скальной выломки с походами

82 тыс. м3.

Вначале предполагали применить новоавстрийский метод про­ ходки камеры, от этого варианта отказались из-за большого пролета выработки и неоднородности пород. По принятой схеме работы вели в следующем порядке (рис. 81). В первую очередь были пройдены на всю длину камеры три галереи — штольни 1 на уровне горизонта подземных вод. Из этих штолен произвели цементацию породы под камерой для создания противофильтрационной завесы. Размеры штолен для облегчения конструкции крепи выбирали минимальными

189

по габаритным условиям пропуска буровых станков для создания цементационных и анкерных скважин диаметром 100—115 мм.

Из центральной штольни 1 были пройдены три восстающие выработки, из которых разработали штольню. 2 на уровне замка свода. Из боковых штолен 1 снизу вверх начали расширять щель (этапы I I I и IV), при этом взорванную породу не убирали, а она служила основанием для разработки щели и установки предвари­ тельно-напряженных анкеров глубиной 4 и 13 м, а также для покры­ тия породы набрызгбетоном толщиной до 15 см. В верхней части

Рис. 82. Модифицированный сносс5 опорного ядра (штутгардский способ):

і — 5 — последовательность работ [при проходке штолен по контуру выработки

свода расширение штольни 2 в обе стороны (этапы IV) также со­ провождалось установкой предварительно-напряженных анкеров и нанесением набрызгбетона. Таким образом произошла сбойка ще­ лей, сооружаемых снизу и сверху (этапы V и VI).

Ядро камеры пройдено в два этапа. На первом этапе ядро разра­ ботали до уровня почвы нижних штолен 1, а затем — нижнюю часть камеры.

Этот метод разработки и крепления камеры оказался весьма экономичным, основные работы по строительству камеры заняли всего 8 месяцев, т. е. значительно меньше, чем при обычном способе опорного ядра, описанном выше для аналогичной выработки в Ита­ лии.

В Штутгарте (ФРГ) разработан и применен модифицированный способ опорного ядра, предназначенный для проходки выработок большого пролета в неустойчивых породах. Способ предложен для камерных выработок длиной до 100 м и представляет собой после­ довательную проходку примыкающих друг к другу штолен, распо­ ложенных по контуру выработки (рис. 82). Штольни по очереди заполняют бетоном, в результате чего образуется постоянная крепь, под защитой которой производят затем разработку ядра камеры.

Достоинством этого метода являются сравнительно незначитель­ ные осадки породы. Вместе с тем, очевидны трудоемкость работ, необходимость точного соблюдения направления штолен, а также сложность обеспечения в условиях частых стыков замкнутого ар­

ные обетонированной рамной металлической крепью, усиленной подкосами, находятся за пределами проектного сечения туннеля.

190

Метод был принят к производству лишь после того, как при про­ ходке верхней части туннеля начали образовываться вывалы породы и забой пришлось остановить на целый год.

§ 15. Механизированные и специальные способы

Механизированные способы проходки. Последние 10 лет под­ земное строительство характеризуется значительным развитием механизированного способа проходки выработок и расширением области его применения. Если общая длина туннелей, пройденных во всем мире в 1964 г. механизированными щитами и комбайнами, составила 6—7 км, то уже через 5 лет она достигла 30—35 км в год, в настоящее время возросла до 50 км в год. Конструкции туннелепроходческих машин (комбайнов и механизированных щи­ тов) постоянно совершенствуются, улучшаются управление машинами и контроль за их продвижением, возрастают возможная крепость породы, диаметры машин, скорость проходки [29, 33, 82, 120].

Тенденция к постепенному переходу к механизированному спо­ собу проходки туннелей объясняется тем, что по сравнению с буро­ взрывным механизированный способ проходки позволяет:

организовать непрерывную работу в забое и при определенных условиях достичь скорости 100 м/сут;

значительно уменьшить (на 20—40%) затраты труда на проходку туннеля и добиться полной механизации и автоматизации проходче­ ских работ в забое на базе самой современной техники;

резко снизить степень нарушения окружающего скального мас­ сива и смещение пород кровли и благодаря этому облегчить конст­ рукцию крепи и повысить уровень безопасности работ, а также при­ близить трассу туннеля к поверхности земли;

практически ликвидировать переборы породы и переклады бетона

итем самым уменьшить стоимость работ и конструкций.

Кнедостаткам механизированного способа следует отнести

впервую очередь высокую стоимость туннелепроходческих машин и их резцов, требуемые значительные установленные мощности электродвигателей и расход электроэнергии на 1 м3 породы, особые сложности при работе в обводненных и переслаивающихся породах различной крепости.

По данным работы [78] стоимость туннелепроходческой машины

вдолларах примерно в 4,3 раза превышает квадрат диаметра тун­ неля в сантиметрах, а длина туннеля, оправдывающая применение машины, должна быть более 1,6 км. По другим данным стоимость

машины составляет 5£Ы 04 долларов, где D — диаметр туннеля в футах.

Вместе с тем вышеприведенные достоинства механизированного способа столь существенны, что ряд фирм-изготовителей машин счи­ тает механизированный способ оптимальным при длине туннеля уже более 0,5 км и при стоимости резцов до 70 долл, на 1 м3 породы.

191

192

Рис. 83. Туннслепроходческая машина фирмы Роббинс

Механизированная проходка туннелей большого сечения на пол­ ный профиль в настоящее время ограничена размерами машин и кре­ постью породы. В табл. 33 приведены некоторые примеры примене­ ния туннелепроходческих машин диаметром около 8 м и более фирмы Роббинс. В США имеются также отдельные подобные машины не только фирмы Роббинс, но и других фирм (Ярва, Алкрик, Калвелд и др.). На рис. 83 показана туннелепроходческая машина большого диаметра. В Советском Союзе при сооружении Лысогорского железно­ дорожного туннеля на линии Краснодар — Туапсе с 1972 г. при­ меняют механизированный щит Московского механического завода Главтоннельметростроя. Щит диаметром 8,7 м предназначен для меха­ нической разработки пород с пределом прочности на сжатие до 300 кгс/см2, общая мощность двигателей 575 кВт, масса щита 365 т.

В целом машин большого диаметра (8—11 м) относительно мало (10—15% общего числа туннелепроходческих машин). Проходят они туннели кругового очертания в малоабразивных породах пре­ имущественно средней крепости и мягких (прочность породы на сжа­ тие примерно до 600 кгс/см2), лишь с отдельными включениями более твердых пород. Это вызвано технико-экономическими соображениями,

Рис. 84. Зависимость установленной мощности двигателей [N от диаметра машины D для пород:

1 — очень крепких и крепких; 2 — средней и нише средней крепости

поскольку стоимость режущего инструмента увеличивается про­ порционально прочности (абразивности) породы и площади попе­ речного сечения туннеля. Кроме того, с увеличением диаметра машины резко повышается установленная мощность двигателей (рис. 84), расход электроэнергии на разработку 1 м3 крепкой породы возрастает в 10—20 раз по сравнению с расходом в мягких породах и превышает 200 кВт-ч на 1 м3. Чистая скорость бурения при боль­ ших диаметрах машин значительно уменьшается (по сравнению с породами средней крепости скорость бурения в крепких и очень крепких породах уменьшается в 10—15 раз). Среднемесячная скорость, как правило не выше, чем при буровзрывном способе, хотя по сравнению с этим способом суточная скорость проходки достаточно велика и при диаметре 8 м достигает 20—30 м/сут.

Туннель Навайо в США, упоминаемый выше, разрабатывали туннелепроходческой машиной с очень высокими суточными скоро­ стями. В частности, 16 июня 1972 г. скорость проходки достигла 66 м, 21 июня — 72 м, 5 июля — 79 м. Вместе с тем средняя ско­ рость за весь период строительства была значительно ниже и соста­ вила 14 м/сут.

Стоимость туннелепроходческих машин диаметром 8 м и более чрезвычайно высока (примерно 1,5—3 млн. долл). Следует отметить, что за рубежом ряд фирм-изготовителей предоставляет строителям на прокат туннелепроходческие машины (в большинстве случаев месячный прокат машины стоит 8% ее полной стоимости).

Стремление снизить стоимость и поднять эффективность механи­ зированной проходки выработок большого сечения привело к по­ искам различных новых решений. В частности, как отмечалось выше, при разработке туннелей большого сечения широко исполь­ зуют комбайны диаметром 3—4 м для проходки передовых выработок (параллельно трассе основного туннеля или по его трассе). Такие выработки, проведенные практически независимо от крепости пород с высокими скоростями (поскольку при малых диаметрах имеются значительные возможности выбора оптимального типа туннелепро-

194

I

Рнс. 85. Разработка крупной выработки с предварительным созданием контурной щели меха­ низированным способом:

I — I V — этапы разработки выработки; 1 — штольня; 2 — контурная щель (нрорезь) между штольнями; 3 — специальный комбайн; 4 — направляющие балки; 5 — конвейер; 6 — ан­ керы; 7 — набрызгбетон по сетке

ходческой машины), позволяют установить в деталях инженерно­ геологические условия, а также облегчить вентиляцию и транспорт при проходке основных туннелей.

Фирмой А. Кунц в ФРГ предложен метод разработки крупных подземных сооружений в сравнительно устойчивых породах с пред­ варительным созданием комбайнами контурной щели по периметру выработки и последующей выемкой ядра с применением буровзрыв­ ных работ (рис. 85). Экспериментальное опробование отдельных элементов предложенного метода было проведено в 1972 г.

Оригинальное решение поэтапной проходки двух туннелей при­ менено в Швейцарии. Эти автодорожные туннели диаметром 10,5 мг длиной по 1,5 км расположены параллельно друг другу в слоистых песчаниках и мергелях. В первую очередь по трассе туннелей были

в 1971 г. начали разработку туннеля с помощью двух последователь­ но соединенных расширительных туннелепроходческих машин фир­ мы Вирт (тип ТБЕ IV и ТБЕ VII) диаметром 7,7 и 10,5 м. К преиму­ ществу описанного способа относится повышение уровня безопас­ ности работ и меньшие расходы электроэнергии и резцов по сравне­ нию с проходкой туннеля сразу на полное сечение.