Прокопов А.Ю. Транспортные тоннели
.pdf
4.2.4 Метод пилот-тоннеля (передовой штольни)
Сущность метода заключается в том, что при строительстве основного тоннеля по его оси или параллельно оси на расстоянии 15–20 м с большим опережением (100–50 м) проходят пилот-тоннель (штольню) небольшого поперечного сечения (рис. 4.6). Такая передовая выработка выполняет роль геологоразведочной, поэтому данный способ применим в условиях, когда предварительная детальная разведка с поверхности затруднена или невозможна – при строительстве протяженных глубоких или подводных тоннелей.
Рис. 4.6. Схема метода пилот-тоннеля:
1 – основной тоннель; 2 – пилот-тоннель (штольня); 3 – вспомогательная (транспортно-дренажная) штольня; 4 – диагональная сбойка
По такой схеме были пройдены Северомуйский тоннель на трассе БАМа, подводные тоннели Сейкан и Евротоннель (характеристики тоннелей см. в табл. 1.1 и 1.2). Вспомогательная штольня используется затем в период эксплуатации тоннеля для вспомогательных целей: водоотлива, вентиляции, эвакуационного выхода, доставки материалов для ремонта и обслуживания основного тоннеля и др. Площадь сечения штолен принимают в пределах 8–9 м2.
Расширение пилот-штольни до проектного контура основного тоннеля осуществляют, как правило, буровзрывным способом, при этом из штольни бурятся веерные шпуры длиной до 4 м с шагом 0,4–0,5 м (рис.
4.7).
Достоинства метода пилот-тоннеля:
–детальное изучение инженерно-геологических условий по трассе тоннеля;
–упрощенная вентиляция тоннеля;
–комплексная механизация проходческих работ;
–возможность использования боковой штольни для вспомогательных целей.
Недостатки:
–дополнительный объем работ по проведению штолен и сбоек;
–ограниченная область применения устойчивыми породами.
111
Рис. 4.7. Технологическая схема строительства методом пилот-тоннеля: 1 – обделка тоннеля; 2 – основной тоннель; 3 – основная пилот-штольня; 4 – забои передовых штолен; 5 – диагональные сбойки;
6 – вспомогательная штольня; 7 – шпуры расширения; 8 – бурильная установка
4.2.5 Метод опертого свода (бельгийский метод)
Первое применение – в Бельгии в 1828 г. Сущность метода заключается в разбивке тоннеля на короткие участки длиной 4–6,5 м, в пределах которых ведут выемку породы и затем возводят обделку. Раскрытие сечения осуществляют в последовательности, приведенной на рис. 4.8.
Область применения метода:
–высота тоннеля – свыше 8 м;
–ширина тоннеля – свыше 8 м;
–длина тоннеля – до 300 м;
–крепость пород – f = 1–4.
Раскрытие калотты сопровождается применением сложных конструкций деревянной крепи, которая удерживает всю площадь свода до возведения бетонной обделки. После набора сводом не менее 60 % проектной прочности разрабатывают породу в центральной части в шахматном порядке, затем удаляют боковые части штроссы (бермы) и подводят стены под пяты свода.
Достоинства метода:
–возможность возведения свода практически в самом начале раскрытия сечения, т.е. повышение надежности и безопасности работ;
–возможность проходки тоннелей большого сечения в слабоустойчивых породах.
112
Рис. 4.8. Раскрытие сечения тоннеля способом опертого свода (цифрами показана последовательность раскрытия):
1 – нижняя направляющая штольня; 2 – фурнель; 3 – верхняя штольня; 4 – калотта; 5 – свод; 6 – центральная часть штроссы; 7 – боковые части штроссы; 8 – возведение бетонных стен; 9 – обратный свод (лоток);
10 – обделка лотка
Недостатки метода:
–повышенная трудоемкость работ;
–стесненность;
–низкие темпы сооружения тоннеля;
–значительный расход материалов на временную крепь.
4.2.6 Метод опорного ядра (германский метод)
Это наиболее старый метод в тоннелестроении. Применен впервые в Германии в 1803 г. Сущность способа заключается в образовании по контуру тоннеля прорези, в которой возводят обделку стен и свода. Породу в центральной части тоннеля вынимают после возведения обделки по всему контуру и набора бетоном необходимой прочности. В период образования контурной прорези центральное породное ядро служит опорой для распорной деревянной крепи. Последовательность раскрытия сечения приведена на рис. 4.9.
Область применения:
–высота тоннеля – свыше 8 м;
–ширина тоннеля – свыше 8 м;
–длина тоннеля – до 300 м;
–крепость пород – f = 2–4 (породы, не способные воспринимать давление от свода обделки).
113
Рис. 4.8. Раскрытие сечения тоннеля способом опорного ядра (двухштольневый вариант, цифрами показана последовательность
раскрытия): 1 – боковые нижние штольни; 2 – бетонная обделка стен; 3 – боковые штольни второго яруса; 4 – бетонная обделка стен второго яруса; 5 – верхняя штольня; 6 – калотта; 7 – бетонный свод; 8 – опорное ядро; 9 – лоток; 10 – обделка лотка
Боковые штольни (2, 3, 4, 5) проходят на всю длину тоннеля. Раскрытие верхней части сечения осуществляется участками по 5–6 м.
Достоинства метода:
–уменьшение осадок вследствие разделения сечения на мелкие элементы;
–непрерывность возведения обделки стен и свода;
–низкая стоимость разработки центрального ядра с применением высокопроизводительных механизмов при широком фронте работ.
Недостатки метода:
–сложность и высокая трудоемкость работ по раскрытию контурной прорези тоннеля;
–высокий расход материалов на крепление прорези.
4.2.7 Новоавстрийский метод (NATM)
Технология NАТМ крепления выработки заключается в создании специальной торкрет-крепи совместно со стержневой анкерной системой, сооружаемой с максимальным вовлечением в работу вмещающего грунтового или породного массива и образованием в последующем геокомпозитной системы (рис. 4.9). Такая конструкция крепи позволяет увеличить устойчивость свода выработки без загромождения сечения тоннеля временной крепью [21]. Постоянная обделка может возводиться на значительном удалении от забоя сразу по всему сечению с использованием высокопроизводительных механизмов.
114
а |
б |
Рис. 4.9. Сравнение конструкций обделок, |
|
выполняемых горным и новоавстрийским методами:
а – горный способ: 1 – деревянная затяжка; 2 – стальная арка; 3 – рошпаны; (1, 2, 3 – составляют временную крепь, расположенную вне
постоянной обделки); 4 – бетонная или железобетонная постоянная обделка; 5 – обратный свод;
б – новоавстрийский метод: 6 – несущий породно-анкерный свод; 7 – анкеры; 8 – наружный слой обделки из набрызгбетона толщиной 5–15
см (вместе с анкерами служит временной крепью); 9 – внутренний слой постоянной обделки из набрызгбетона толщиной 15–35 см
При этом отличительной особенностью метода является круглосуточный мониторинг деформаций временной крепи тоннеля и горного массива.
Примером успешного применения новоавстрийского метода является проходка одного из крупнейших автомобильных тоннелей России – тоннеля № 6 автодороги Джубга – Сочи на участке обхода города Сочи. Его применение позволило повысить скорость проходки верхнего уступа тоннеля до 150 м в месяц против 30–60 метров при проходке обычным способом. Таким образом, срок строительства такого важного объекта, как тоннель № 6, был сокращен на год [28].
Для проходки калотты, ядра и штроссов этого тоннеля впервые в нашей стране был применен высокопроизводительный проходческий комбайн избирательного действия WIRTH PAURAT Т 3.20 (Германия). Рабочий орган машины снабжен телескопическим устройством, что обеспечивает ширину резания 9 м и высоту 7,7 м. Средняя производительность комбайна в грунтах с коэффициентом 8 по шкале Протодьяконова составляет 120–150 м3/ч.
В технологическую схему временного крепления предусмотрена установка для нанесения набрызгбетона мокрым способом модели Sika РМ 500 РС на пневмоходу (Швейцария). Максимальная высота подачи сопла
115
при наклоне телескопической стрелы в 60 составляет 14,8 м, дальность подачи по горизонтали – 13,3 м. Управление соплом можно осуществлять как со стационарного пульта, установленного на шасси машины, так и посредством дистанционного кабельного или радиоуправления. Производительность бетононасоса установки – 30 м3/ч.
Для анкерного крепления выработки использовалась самоходная установка Atlas Copco Boltec LС, которая способна в автоматическом режиме выполнять бурение шпуров, нагнетание раствора, установку анкерных болтов различной длины.
Контрольные вопросы
1 По каким признакам классифицируются способы сооружения тоннелей?
2 В чем отличие горного, щитового и открытого способов проходки? 3 Какие специальные способы проходки тоннелей Вы знаете?
4 Какие технологии разработки горных пород могут применяться при горном способе проходки?
5 Какие существуют методы раскрытия сечения тоннелей при горном способе проходки?
6 Какие технологии применяются при щитовом способе проходки?
7 Что такое калотта и штросса тоннеля?
8 Когда может применяться метод сплошного забоя? В чем его основные достоинства и недостатки?
9 Когда целесообразно разделение забоя тоннеля на горизонтальные уступы?
10 В чем отличие проходки с верхним и нижним уступом? Назовите области применения, достоинства и недостатки этих методов.
11 Какие технологические схемы проходки могут применяться при проходке тоннеля с нижним уступом?
12 Какова рекомендуемая высота уступа? От чего она зависит?
13 В чем особенности проходки тоннелей с нижним уступом при большой ширине тоннеля?
14 Каковы достоинства и недостатки проходки тоннеля с нижним уступом?
15 Когда применяют метод ступенчатого забоя при раскрытии сечения тоннеля? Каковы параметры уступов? Как осуществляется транспортировка породы с уступа на уступ?
16 Каковы достоинства и недостатки метода многоступенчатого за-
боя?
17В чем сущность метода пилот-тоннеля? Какова его область применения?
18Как расширяют пилот-тоннель до проектных размеров основного
тоннеля?
116
19 Каково назначение параллельной вспомогательной штольни при проходке методом пилот-тоннеля?
20 В чем сущность метода опертого свода? Какова его область применения?
21 Какова последовательность раскрытия сечения тоннеля методом опертого свода? Назовите достоинства и недостатки этого метода.
22 В чем сущность метода опорного ядра? В каких породах целесообразно применение этого метода?
23 Какова последовательность раскрытия сечения тоннеля методом опорного ядра? Назовите достоинства и недостатки этого метода.
24 В чем сущность новоавстрийского метода проходки тоннелей?
25 Какова отличительная особенность временной крепи, применяемой при новоавстрийском методе проходки тоннелей?
117
5 БУРОВЗРЫВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОХОДКИ ТОННЕЛЕЙ
5.1 Основные понятия и определения
Буровзрывные работы (БВР) – совокупность производственных процессов по отделению горных пород от массива с помощью взрыва.
Косновным процессам проходческого цикла при сооружении тоннелей по буровзрывной технологии относятся:
– бурение взрывных шпуров или скважин;
– заряжание, забойка шпуров, монтаж взрывной сети, взрывание забоя, проветривание;
– приведение забоя в безопасное состояние;
– погрузка и транспортировка взорванной горной породы;
– установка временной крепи;
– возведение и гидроизоляция постоянной обделки.
Квспомогательным процессам относятся наращивание коммуникаций, трубопроводов вентиляции, противопожарного става, устройство водоотлива, укладка рельсов, монтаж конвейеров и др.
Шпур – искусственное цилиндрическое углубление в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, пробуренное, как правило, бурильным молотком, сверлом или бурильной установкой.
Скважина – искусственное цилиндрическое углубление диаметром более 75 мм при глубине до 5 м и любого диаметра при глубине более 5 м, пробуренное, как правило, буровым станком.
Взрывчатое вещество (ВВ) – химическое соединение или механическая смесь, которые под действием внешнего импульса (нагревание, удар, искры огня) способны взрываться.
Средства инициирования (СИ) – средства, при помощи которых передается начальный импульс заряду ВВ и возбуждение взрыва (детонация).
КСИ относятся капсюли-детонаторы, электродетонаторы, детонирующие шнуры, неэлектрические системы взрывания.
Взрывной прибор (взрывная машинка) – прибор, обеспечивающий подрыв средств инициирования зарядов. Как правило, современные взрывные приборы имеют контрольно-измерительную функцию, т.е. возможность проверять целостность взрывной сети и измерять ее электрическое сопротивление.
5.2Механизация бурения шпуров и скважин
При сооружении тоннелей наибольшее распространение получили механические способы бурения, которые по принципу разрушающего воздействия инструмента на горную породу делятся на вращательное и ударное бурение.
Вращательное – бурение, при котором разрушение забоя производится за счет вращения породоразрушающего инструмента с приложением
118
к нему осевой нагрузки. Область применения инструментов и оборудования для вращательного бурения приведена в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Область применения оборудования для вращательного бурения
Тип применяемого |
Диаметр шпуров |
Глубина шпуров |
Крепость буримых |
оборудования |
(скважин), мм |
(скважин), м |
пород по |
|
|
|
Протодьяконову |
Ручные сверла |
до 50 |
до 4 |
2–4 |
Колонковые сверла |
до 40 |
до 4 |
до 6–7 |
Буровые станки |
110–160 |
до 30 |
до 6 |
Ударное – бурение, при котором используется энергия удара инструмента о породу. Его разделяют на:
–ударно-поворотное – бурение, при котором поворот инструмента производится в момент между ударами инструмента по забою;
–ударно-вращательное – бурение, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту;
–вращательно-ударное, при котором породоразрущающий буровой инструмент находится под большим осевым давлением в постоянном контакте с породой и разрушает её за счёт вращательного движения по забою
ипериодически наносимых по нему ударов.
Ударное бурение шпуров и скважин производят:
–пневматическими бурильными молотками (перфораторами), которые по конструкции делятся на ручные, телескопные и колонковые, а по весу на легкие (18–20 кг), средние (20–30 кг) и тяжелые (более 30 кг);
–буровыми станками с погружными пневмоударниками – легкие (диаметр скважин 85–125 мм), средние (160 мм) и тяжелые (более 200 мм). Максимальный диаметр – 850 мм – обеспечивают станки фирмы «Интерсол Рэнд» (США);
–оборудованием, смонтированным на буровых каретках;
–самоходными бурильными установками.
Наибольшую механизацию и безопасность работ обеспечивают современные самоходные буровые и многофункциональные установки фирм
– лидеров мирового тоннелестроения. Рассмотрим характеристики некоторых из них.
Доказали свою надежность на практике, в том числе при проходке тоннелей в г. Сочи, высокопроизводительные, мощные, экономичные буровые установки Atlas Copco Boomer, рассчитанные на любую рабочую зону – от 6 до 206 м2. Уникальная система стрел Atlas Copco выгодно отличается гибкостью и точностью, обеспечивая высокую точность бурения шпуров с применением перфораторов с силой удара от 5,5 до 22 кВт и высокое качество проходки [29].
Для тоннелей небольших и средних размеров поперечного сечения (до 45 м2) рекомендуется использование установки Rocket Boomer 282 (рис. 4.1), обладающей высокой маневренностью за счет возможности раз-
119
ворота минимальным радиусом, что позволяет использовать ее как в основных тоннелях, так и в сбойках и других вспомогательных выработках.
Область применения современных самоходных бурильных установок фирмы Atlas Copco приведена в табл. 5.2.
а
б в
Рис. 5.1. Гидравлическая самоходная бурильная установка
Rocket Boomer 282:
а– габариты установки; б – размеры обуриваемого забоя;
в– радиусы разворота установки
Другим известным производителем тоннелепроходческого оборудования является фирма Sandvik [30], выпускающая самоходные бурильные установки для проходки тоннелей различных типоразмеров (табл. 5.3).
Отличительной особенностью современных бурильных установок является высокоточная система управления на основе применения технологии лазерного наведения и разметки шпуров в забое и использования программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс бурения в соответствии со схемой расположения шпуров. Большинство установок, кроме бурения горизонтальных и наклонных взрывных шпуров по забою, способны бурить шпуры в кровлю выработки и механизировать процесс установки анкерной крепи. Кроме манипуляторов с буровым обо-
120