книги из ГПНТБ / Мельников Л.Л. Сооружение выработок большого сечения в крепких породах

имущества: возможность обеспечения надежной геологи­ ческой разведки; более совершенную вентиляцию забоев, что чрезвычайно важно при сооружении выработок боль­ шей длины; возможность получения больших скоростей сооружения выработки за счет: совмещения проведения направляющей штольни с производством работ по рас­ ширению ее; полного совмещения процессов бурения шпуров и погрузки породы при расширении штольни; возможности взрывания за один прием больших участков тоннеля; возможность эффективного отвода вод в случае большого притока.

К недостаткам способа можно отнести: большую тру­ доемкость сооружения выработки вследствие необходи­ мости ведения работ сразу в нескольких забоях; необ­ ходимость использования разнотипного оборудования; необходимость сооружения дополнительной выработки в случае одновременного производства работ по проведе­ нию и расширению передовой штольни; трудность соблю­ дения проектного контура выработки; многократное пе­ рекладывание рельсовых путей, трубопроводов и т. д.

Сооружение выработок с помощью направляющей штольни, располагаемой в центральной части сечения, наиболее целесообразно применять при сооружении вы­ работок большого протяжения в крепких, не требующих возведения временной крепи, породах. Особенно эффек­ тивен этот способ при сооружении комплекса выработок, идущих параллельно друг к другу.

Сооружение выработок с помощью направляющей штольни, располагаемой в центральной части сечения, было широко распространено в США при проведении тоннелей большой длины. Наилучшие результаты были достигнуты при сооружении железнодорожного 'тоннеля «Каскад» длиной 12,5 км. Средняя недельная проходка центральной штольни составляла 38 м, расширения 31 м. Максимальные скорости за месяц составили: централь­ ной штольни—291 м, расширения—372 м [20].

Сооружение выработок с помощью направляющей штольни, располагаемой в нижней части сечения. Этот способ производства работ отличается от рассмотренного тем, что направляющую штольню располагают в нижней

части сечения выработки, Как показывает практика, соотношение площадей се­

чений направляющей штольни и собственно выработки

20

принимается

W SBUP = (0>3 - 0,4):1.

Работы по расширению направляющей штольни можно производить как после окончания проведения ее на всю длину выработки (тоннель Тюя-Ашу), так и одновремен­ но с ее проведением. В первом случае работы по расши­ рению штольни до проектных размеров выработки ана­ логичны описанным в § 2 работам по разработке верх­ него уступа. Рассмотрим второй случай, когда работы по проведению и расширению направляющей штольни выполняют одновременно.

В табл. 4 приведены некоторые данные по сооруже­ нию тоннелей этим способом.

Бурение шпуров при проведении направляющей штольни и ее расширении обычно производят бурильны­ ми машинами с пневмоподдержками, погрузку породы—■ погрузочными машинами в вагонетки.

Расширение штольни обычно производят бурением и взрыванием горизонтальных шпуров. Для обеспечения одновременности работ по проведению и расширению штольни для обуривания расширяемого забоя применя­ ют раму, сконструированную таким образом, чтобы она пропускала погрузочное и транспортное оборудование, служащее для проведения направляющей штольни.

21

К достоинствам сооружения выработок с помощью направляющей штольни, располагаемой в нижней части сечения, следует отнести возможность надежной геоло­ гической разведки; возможность применения этого мето­ да в породах с изменяющимися физико-механическими свойствами и обычно требующими возведения постоян­ ной крепи; большую эффективность буровзрывных ра­ бот в забое расширения; отсутствие необходимости пе­ рекладывать рельсовые пути и связанная с этим эконо­ мия средств по сравнению с расположением направля­ ющей штольни в центре сечения.

К недостаткам метода следует отмести большую тру­ доемкость сооружения выработок, сложность увязки ос­ новных операций проходческих циклов при проведении и расширении штольни, длительные сроки сооружения выработки при расширении по окончании проведения направляющей штольни.

Рассматриваемый способ наиболее рационально при­ менять при сооружении выработок в породах, требую­ щих детальной геологической разведки. Наилучшие ре­ зультаты при применении этого способа были достигну­ ты при сооружении тоннеля Рокко-д’Эвамдро в Ита­ лии, где максимальная скорость составила 356 м/мес [5].

§ 4. ВЫБОР СПОСОБА СООРУЖЕНИЯ ВЫРАБОТОК

При выборе способа сооружения выработок большого сечения в крепких породах следует учитывать факторы, влияющие на него (размеры сечения, инженерно-геоло­ гические условия, назначение выработки, условия строи­ тельства и т. д.). Вследствие этого дать однозначное решение можно лишь в очень редких случаях. Для боль­ шинства же выработок, например для сооружения же­ лезнодорожных и автодорожных тоннелей сечением 5 = 40ч-100 м2, для гидротехнических тоннелей попереч­ ным сечением до 300 м2 в крепких породах (т. е. для вы­ работок, где ширина и высота соизмеримы), выбор наи­ более эффективного способа представляется нелегкой задачей. Наиболее надежным критерием эффективности принятого способа является минимальная стоимость соо­ ружения, которая является итогом достигнутых показа­ телей — производительности труда, скорости сооружения выработки и т, д,, однако вследствие отсутствия необхо-

22

днмого количества данных в отечественной и зарубеж­ ной литературе, а также колебания валютного курса страны сделать необходимые сопоставления затрудни­ тельно.

Анализируя достоинства и недостатки каждого спо­ соба, можно прийти к выводу, что в большинстве случа­ ев для сооружения вышеуказанных выработок выби­ рать приходится между способом сооружения вырабо­ ток сплошным забоем и способом сооружения вырабо­ ток с разделением забоя на уступы. Способ сооружения выработок с помощью направляющей штольни в на­ стоящее время можно считать вынужденным вариан­ том, который используют только при необходимости надежной геологической разведки трассы тоннеля. Вполне очевидно, что дальнейшее развитие средств го­ ризонтального бурения ограничит применение этого способа.

Таким образом, задача сводится к определению обла­ сти наиболее эффективного применения способа соору­ жения выработок большого сечения сплошным забоем.

Рассматривая достоинства и недостатки этого спо­ соба, можно прийти к выводу, что нельзя дать одно и то же решение для выработок, не требующих возведения постоянной крепи, и для выработок, требующих возве­ дения постоянной крепи.

На рис. 9 показаны зависимость примерной стоимо­ сти сооружения тоннелей на полный профиль для усло­ вий Швеции (рис. 9,а) и Норвегии (рис. 9,6) для незак-

Т а б л и ц а 5

23

рспленпых тоннелей от площади сечения выработки [44]. Как следует из рис. 9, достоинства этого способа обус­ ловливают снижение стоимости разработки 1 м3 породы с увеличением площади сечения, однако, начиная с пло­

если при сооружении тон­ неля площадью поперечного сечения 70 м2 разница меж­ ду стоимостью разработки 1 м3 породы при проведении тоннеля на полный профиль и способом нижнего уступа составляет 17,5%, то при сооружении тоннеля площа­ дью сечения 120 м2 при прочих равных условиях эта разница составляет всего лишь 5%.

Искусственно ставя в те же условия выработки с большими площадями сечения, можно предположить, что стоимость разработки 1 м3 породы окажется равной при сооружении тоннеля площадью сечения 150—160 м2, а при дальнейшем увеличении площади поперечного се-

24

чення более эффективным окажется способ сооружения выработок с разделением забоя на уступы. На рис. 10 показано распределение примеров сооружения тон­ нелей сечением свыше 85 м2 сплошным забоем в различ­ ных условиях [20]. Как следует из рис. 10, максимальные площади сечения тоннелей, сооружаемых этим способом, не превышают 150—160 м3. Из рис. 10 также видно, что

при различных способах сооружения тоннелей (рис. 11). Практика сооружения тоннелей также подтверждает справедливость сделанных выводов. В качестве примера можно привести сооружение Ниагарского напорного тоннеля диаметром 15,3 м вчерне [57]. Строительство тоннеля было начато на полное сечение 190 м2, однако первые же 100 м показали весьма малую эффективность выбранного способа: громоздкое оборудование, сильный шум при работе большого числа бурильных машин и т. д. явились такими помехами в работе, что было реше­ но перейти на сооружение тоннеля способом нижнего уступа: сначала пройти верхнюю часть тоннеля сечением 5 В=110 м2, а затем разработать уступ с площадью сече­ ния 511=80 м2. Переход на новый способ позволил в 3 раза увеличить скорость сооружения тоннеля при зна­

чительном улучшении остальных показателей.

Рекомендуя сооружать выработки сечением более 150 —160 м2 (в породах, не требующих устройства постоян­ ной обделки) уступным способом, необходимо делать

25

выбор между способом верхнего уступа и способом ниж­ него уступа. Анализируя достоинства и недостатки каж­ дого способа, можно сделать вывод, что возможность полного совмещения процесса обуривания уступа и по­ грузки породы, большая безопасность работ и связан­ ные с этим более высокие показатели сооружения выра­ боток при использовании способа нижнего уступа обус­ ловили его широкое применение. Бурное развитие техни-

60 60 100 120 т WO ' 180 S,M2

Рис. II. Зависимость стоимости сооруже­

ки буровзрывных работ привело к тому, что в настоящее время способ верхнего уступа практически не применяют даже в Швеции, где был накоплен большой опыт при­ менения этого способа.

Интересно привести сравнение показателей строитель­ ства двух индентичных тоннелей: отводящего тоннеля первой очереди ГЭС Форсмо площадью 5 = 150 м2, дли­ ной 1000 м, сооруженного в 1947 г., и отводящего тонне­ ля второй очереди той же ГЭС сечением 175 м2, длиной

1000 м, построенного в 1954—1955 гг. [44].

Первый тоннель был сооружен способом верхнего ус­ тупа, который в то время считался наиболее экономич­ ным. Для проведения нижней.части сечением 70 м2 ис­ пользовали две буровые рамы с легкими бурильными ма­ шинами и буры с коронками, армированными твердыми сплавами карбидов вольфрама. Погрузку породы осуще­ ствляли экскаваторами с ковшами емкостью 0,5 и 1,5 м3

26

Глава II

ОСНОВНОЕ ГОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ПРИ СООРУЖЕНИИ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ

§ 5. БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Основными способами, получающими все большее распространение в последнее время при сооружении вы­ работок большого сечения, являются способ сооружения выработок сплошным забоем и способ нижнего уступа. В соответствии с этим буровое оборудование, применяе­ мое при сооружении выработок большого сечения, мож­ но подразделить на две группы: оборудование, применя­ емое при сооружении выработок сплошным забоем; обо­ рудование, применяемое при сооружении выработок спо­ собом нижнего уступа.

Основное буровое оборудование, применяемое при сооружении выработок сплошным забоем. По принципу обуривания забоя существующее оборудование для бу­ рения шпуров можно разделить на обуривание забоя при помощи буровых рам, оснащенных большим, числом бурильных машин, и буровые установки.

Практика применения -буровых рам при сооружении выработок на полное сечение. Буровая рама представля­ ет собой жесткую пространственную конструкцию, обес­ печивающую удобное обуривание забоя по всей его пло­ щади и возможность проезда к забою после взрывания шпуров погрузочных и транспортных средств. Буровая рама служит также рабочей площадкой для заряжания шпуров и возведения временной крепи тоннеля, позво­ ляющей быстро убирать инструменты и оборудование на время взрывания и погрузки породы.

28

Для удобства обслуживания бурильных машин на всех ярусах рамы устраивают рабочие подмости, исполь­ зуемые также для размещения комплектов буров, баков со смазочными материалами, распределителен сжатого воздуха, подсобных инструментов п т. д. Число ярусов рамы зависит от высоты выработки и делается с таким расчетом, чтобы дать возможность рабочим в каждом ярусе удобно обслуживать бурильные машины. Ярусы соединяются между собой лестницами.

Большое разнообразие условий строительства выра­ боток и неодинаковый подход к вопросам сооружения их обусловили применение различных конструкций бу­ ровых рам, которые можно разделить на две группы: буровые рамы на рельсовом ходу и буровые рамы на автономном ходу.

Б у р о в ы е р а м ы на р е л ь с о в о м ходу приме­ няют, как правило, в сочетании с рельсовым погрузочнотранспортным оборудованием. Раму монтируют на рель­ совом пути широкой колеи с таким расчетом, чтобы с ее помощью можно было обурнвать сразу весь забой. Для пропуска транспортных и породопогрузочных средств в средней части рамы делают съемные стойки или откидные платформы, в результате чего получается пространство, достаточное для пропуска требуемых ма­ шин. Для облегчения транспортирования рамы по гото­ вой выработке буровую раму нередко оборудуют откид­ ными боковыми рабочими платформами. Для придания раме большей устойчивости во время бурения шпуров ее обычно распирают с помощью гидравлических или вин­ товых домкратов в кровлю и стенки выработки. Иногда буровую раму оборудуют устройством (типа горизон­ тального перестановщика) для перестановки вагонетки при маневрах. При обуривании забоя с буровой рамы бе­ зопасность работ гарантируется устройством защитного «козырька».

Примером буровой рамы рельсового типа может слу­ жить применяемая б США при сооружении гидротехни­ ческих тоннелей диаметром 7—8 м в крепких породах буровая рама «Джумбо» (рис. 12). Она представляет собой металлическую конструкцию, способную выдер­ жать воздействие взрывной волны и удары кусков поро­ ды в момент взрыва. Рама не имеет выдвижных плат­ форм и в процессе производства работ передвигается

29