Технология строительства тоннелей в скальных породах: сущность и область применения

ТОННЕЛЬ (а. tunnel; н. Tunnel; ф. tunnel, galerie, souterrain; и. tunel) — протяжённое подземное (подводное) сооружение для транспортных целей, прокладки инженерных коммуникаций и т.п. По назначению тоннели подразделяют на транспортные (см. ), пешеходные (см. ), гидротехнические (см. ), коммунальные (канализационные, кабельные, коллекторные, для тепло- и газоснабжения и др.), горнопромышленные (для удаления породы и руды , вентиляционные, дренажные) и специальные (оборонного назначения, для проведения научных исследований). Тоннели отличаются длиной (от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров), формой и размерами поперечного сечения, глубиной заложения (от нескольких метров до нескольких километров), конструкциями, способом строительства, условиями эксплуатации и пр. (см. Автодорожный тоннель , Железнодорожный тоннель , Подводный тоннель , Метрополитен , ).

Тоннели начали строить в глубокой древности. В 2180 до н.э. в Вавилоне под р. Евфрат был построен пешеходный тоннель длиной 920 м. В 700 до н.э. на остров Самос в Эгейском море построили тоннели для водоснабжения длиной 1600 м. С конца 17 века началось строительство судоходных, в середины 19 века — железнодорожных, а в начале 20 века — автодорожных тоннелей; первый метрополитен был введён в эксплуатацию в Лондоне в 1863. За 1900-80 в мире построено около 1 млн. км тоннелей различного назначения; из общего объёма примерно 60% составляют гидротехнические и коммунальные тоннели и 40% — транспортные. За этот период скорости проходки тоннелей возросли в среднем в 90 раз, а с 1980 по 1987 — в два раза. По прогнозам, к 2000 предстоит построить ещё около 1 млн. км тоннелей, в дальнейшем объёмы тоннельного строительства каждые 10 лет будут удваиваться.

С развитием техники тоннелестроения увеличиваются длина и размеры поперечного сечения тоннелей. В 1987 в мире насчитывалось около 30 тоннелей длиной более 10 км; получают распространение двух- и трёхъярусные транспортные тоннели площадью поперечного сечения 120-150 м 2 и более. Например, в г. Сиэтл () построен крупный двухъярусный тоннель наружным диаметром 24,4 м, который вмещает две проезжие части в разных уровнях, отсек для велосипедистов и пешеходов, а также вентиляционные каналы (рис. 1).

Значительные затраты на строительство тоннелей (стоимость строительства 1 км транспортных тоннелей 10-30 млн. руб.) окупаются за счёт улучшения транспортных связей, решения энергетических проблем, упорядочения систем городского хозяйства, преобразования и охраны окружающей среды .

Ежегодно в CCCP вводятся в эксплуатацию более 50 км гидротехнических и коммунальных тоннелей, десятки километров тоннелей метрополитена, горнопромышленных тоннелей и др. Значительны масштабы строительства тоннелей и за рубежом. Начато строительство подводных тоннелей под проливом Ла-Манш протяжённостью около 50 км (проектная стоимость 2,3 млрд. фунтов стерлингов). Планируется создание крупных подводных тоннелей под проливом Босфор (12 км), Гибралтар (50 км), под Ботническим заливом (22 км) и др. Разработаны проекты четырёх базисных железнодорожных тоннелей в Альпах длиной от 49 до 60 км (табл.).

Назначение, место расположения тоннелей, его длина и глубина заложения, очертание в плане и профиле, форма и размеры поперечного сечения обусловлены топографическими, климатическими и инженерно-геологическими условиями, способом строительства, а также экономическими и экологическими соображениями.

Для обоснованного проектирования и строительства тоннелей проводят инженерные изыскания и исследования, в которых наряду с традиционными методами (бурение скважин, проходка разведочных выработок) используют геофизическую разведку, гравиметрическую и эманационную съёмки, а для крупных тоннелей — космическую аэрофотосъёмку с большой разрешающей способностью. Стоимость производства инженерно-геологических изысканий и исследований до 3-5% стоимости строительства.

Строительство тоннелей в зависимости от места их расположения, глубины заложения и инженерно-геологических условий осуществляют горным, щитовым или открытым способами; в ряде случаев применяют способ продавливания, опускных секций и специальные способы работ (см. Подземное строительство).

Для погрузки и транспортирования горной массы используют мощные породопогрузочные машины непрерывного действия (техническая производительность до 360 м 3 /ч), тоннельные экскаваторы с ковшами вместимостью до 2-3 м 3 , большегрузные думперы и самоходные вагоны (вместимость до 10 м 3 и более) на пневмоколёсном и рельсовом ходу, конвейерный и трубопроводный транспорт . Для временного крепления тоннельных выработок применяют арочную, анкерную (см. ) и набрызг-бетонную контурную крепь. В нарушенных и слабоустойчивых породах эффективна опережающая крепь в виде экранов из труб диаметром 200-300 мм, установленных в скважинах, пробурённых по контуру будущей выработки, или бетонных сводов, устроенных путём бетонирования опережающей контурной щели шириной 12-15 см. Проходку тоннелей при горном способе осуществляют сплошным или ступенчатым забоем с возведением постоянной обделки в передвижной опалубке (см. ). Бетонную смесь подают в тоннели в автобетоносмесителях и укладывают за опалубку бетононасосами или пневмонагнетателями. Созданы специальные бетонные поезда, включающие вагоны с бункерами для цемента и заполнителей, платформы с бетоносмесителями, ленточные конвейеры и др. Управление работой установок осуществляется посредством ЭВМ. В некоторых скальных породах с затухающей ползучестью широко применяют т.н. новый австрийский способ проходки с разработкой в первую очередь периферийной части выработки и быстрым закреплением её контура гибкой оболочкой из набрызг-бетона и анкеров. После стабилизации породного массива разрабатывают центральную часть выработки и возводят обделку из набрызг-бетона или монолитного бетона.

Щитовой способ работ применяют главным образом в мягких и слабых породах. Для проходки в мягких породах предназначены механизированные щиты с рабочими органами сплошного (роторного, планетарного) или изибрательного (фрезерующего, экскаваторного) действия и др. Применение механизированного щита роторного действия на строительстве тоннелей диаметром 5,6 м Ленинградского метрополитена в плотных глинах обеспечило рекордные скорости проходки — 1250 м/мес. В несвязных грунтах естественной влажности применяют механизированные щиты с горизонтальными рассекающими полками и челюстными погрузчиками, а в слабых водонасыщенных грунтах (рис. 2) — щиты с призабойными пригрузочными камерами, заполненными под давлением сжатым воздухом, водой или глинистым раствором (бентонитовой суспензией); созданы также щиты с грунтовым и шламовым пригрузом.

Для нормального функционирования транспортных и коллекторных тоннелей их оборудуют эксплуатационными системами вентиляции (см. Вентиляция тоннелей), освещения, водоотвода , а в транспортных тоннелях предусматривают средства тушения пожаров и предотвращения их возникновения, а также устройства, способствующие безопасности движения транспортных средств. Стоимость эксплуатационного оборудования транспортных тоннелей до 30% стоимости их строительства.

Прогресс в областях тоннелестроения обусловливает необходимость увеличения темпов, снижение трудоёмкости и стоимости строительства. Для этого необходимо обеспечить: достоверный прогноз инженерно-геологических условий по трассе тоннелей, стандартизацию и унификацию форм и размеров поперечного сечения тоннелей различного назначения, а также тоннельных конструкций; создание индустриальных и экономичных обделок и крепей с использованием традиционных и новых конструкционных материалов; разработку и внедрение систем автоматизированного проектирования тоннелей; совершенствование технологии тоннельного строительства на базе комплексной механизации и роботизации всех горнопроходческих операций и др.

Туннельные обделки чаще всего бетонируют параллельно с проходкой туннеля. При этом скорость возведения обделки примерно равна скорости проходки туннеля.

Параллельное ведение проходческих и бетонных работ сокращает общий срок строительства туннеля, но при небольших размерах поперечного сечения туннеля вызывает значительные затруднения и неудобства, особенно при транспортировании породы от забоя к порталам и перевозке бетонной смеси и других материалов от порталов к забою. По этой причине в туннелях малой площади поперечного сечения с однопутным движением, строящихся в прочных породах, обделку возводят по окончании проходки всего туннеля или его участка между промежуточными дополнительными забоями.

Туннельную обделку бетонируют или непрерывно по всему поперечному сечению выработки, или в определенной последовательности по отдельным частям контура. В последнем случае возможны два решения: сначала бетонируют лоток туннеля, или наоборот, свод и стены.

Своды туннелей бетонируют одновременно с двух сторон - от пят к замку радиальными слоями. Замок бетонируют наклонными слоями вдоль свода, а опалубку закладывают по мере бетонирования короткими участками от кружала до кружала. Замковые рабочие швы делают радиальными.

Бетонную смесь для обделки туннелей, как правило, приготовляют вне туннеля на бетонном заводе, располагаемом вблизи портала. В коротких туннелях у портала устанавливают бетононасос (или пневмонагнетатель), подающий бетонную смесь по бетоноводу непосредственно за опалубку.

При большой длине туннеля бетонную смесь можно доставлять от портала в вагонетках 9 к пневмонагнетателю 5, который подает смесь за опалубку I-IV.

В связи с тем, что смесь в пути расслаивается, предпочитают приготовлять ее в самом туннеле, если позволяют его размеры. В этом случае в туннеле располагают бетонопоезд, состоящий из бетононасоса или пневмонагнетателя, бетоносмесителя и передвижного транспортера. Заполнители и цемент, обычно уже отмеренные в необходимых количествах, подвозят к бетоносмесителю в вагонетках. Применение передвижного бетонопоезда позволяет при бетонировании обделки туннеля пользоваться бетоноводом небольшой длины и упростить процесс бетонирования.

За опалубку бетонную смесь подают с торца или через люки 6 (см. Классификация опалубки — Катучая опалубка) в опалубке с помощью бетононасоса или пневмонагнетателя. В боковые стенки туннеля и лоток бетонную смесь можно также подавать опрокидными вагонетками с применением распределительных желобов.

Уплотняют бетонную смесь послойно глубинными вибраторами через окна, предусматриваемые в каждой опалубочной секции, или наружными вибраторами, прикрепляемыми к опалубке. По окончании бетонирования и достижения бетоном необходимой прочности на одном участке секцию катучей опалубки передвигают на следующий участок и все операции повторяют.

Если стены обделки туннеля бетонируют после возведения свода, то перед бетонированием опалубку с нижней поверхности пят свода удаляют и поверхность тщательно очищают. Бетонируют стены горизонтальными слоями с одновременным наращиванием опалубки до высоты, не доходящей до пяты свода на 40 см- Пространство между пятой свода и примыкающей стеной заполняют жесткой бетонной смесью и тщательно ее уплотняют. Предварительно на участке примыкания закладывают трубки для последующего нагнетания цементного раствора.

Иногда при бетонировании туннельных обделок, кроме обычного метода укладки готовой бетонной смеси за опалубку, применяют раздельное бетонирование, заключающееся в последовательной укладке в обделку сначала крупного заполнителя, а затем нагнетания в него цементно-песчаного раствора. Этот способ встречается при строительстве гидротехнических туннелей, например в двухслойных конструкциях обделок, при укладке наружного слоя обделки небольшой толщины за первый (внутренний) слой ее, возведенный из сборного железобетона или из стальной оболочки.

Крупный заполнитель (чаще всего гравий) до нагнетания в него раствора должен быть хорошо уплотнен вибрированием или укладкой его под давлением гравиенагнетателями. Затем под давлением нагнетают раствор высокой подвижности, достаточной, чтобы заполнить все мельчайшие зазоры между зернами крупного заполнителя. Нагнетание начинают с нижней части обделки.

Раздельное бетонирование особенно эффективно в тех случаях, когда подача бетонной смеси бетоноводом в узкий зазор затрубного пространства затруднена даже на длину одной секции внутренней оболочки, дополнительная обработка глубинным вибратором уложенной смеси неосуществима, а опалубочные вибраторы могут не дать необходимого уплотнения. При нагнетании раствора им одновременно заполняются мелкие поры и трещины в породе.
При возведении наружного слоя обделки методом раздельного бетонирования отпадает необходимость в последующем нагнетании раствора за обделку.

1. Технология изготовления сборных железобетонных конструкций и деталей
   • Общие вопросы производства сборного железобетона
   • Приготовление бетонных смесей
     
   • Производство растворных смесей
   • Транспортирование бетонной смеси
   • Заготовка арматуры
   • Опалубка
   • Подготовка форм, формование бетона и твердение изделий
   • Армирование и формование предварительно напряженных изделий

Особенности сооружения тоннелей горным способом с возведением сборной обделки

Страница 10 из 16

Этот способ применяют при сооружении тоннелей кругового очертания в устойчивых грунтах с коэффициентом крепости f ≥ l,5, допускающих раскрытие выработки на полное сечение и при наличии надежной кровли. Сущность способа заключается в том, что выработку раскрывают сразу на все сечение с применением инвентарной крепи кровли и лба забоя, а затем непосредственно в забое монтируют сборную обделку. Грунт разрабатывают отбойными молотками или буровзрывным способом. Монтаж сборной обделки ведут механическим укладчиком, поэтому до начала проходки тоннеля сооружают монтажную камеру - начальный участок этого же тоннеля небольшой длины, предназначенный для монтажа укладчика.

Сооружение монтажной камеры . Работы начинают с рассечки штольни (1) (рис. 1.70), пройденной по оси тоннеля, под укладку первых - прорезных колец обделки . Длину этой штольни принимают с таким расчетом, чтобы она на величину l 2 выходила за пределы участка рассечки (для размещения в ней монтажной лебедки). На участке рассечки устанавливают дополнительные подхваты (2), разрабатывают фурнель и делают рассечку верхней штольни. Из этой штольни раскрывают калотту на длину l к с применением деревянной веерной крепи. Лонгарины (3) калотты и верхняки (4) штольни устанавливают за пределами проектного контура обделки с учетом подвески монтажных блоков, необходимых для сборки лебедками прорезных колец обделки. Из калотты разрабатывают нижнюю часть сечения в виде поперечной прорези длиной l 1 равной ширине одного-двух колец (5) обделки.

Рис. 1.70 - Схема рассечки тоннеля для монтажа первых прорезных колец обделки

Перед укладкой прорезных колец обделки лоток прорези выравнивают по шаблону, подсыпая щебенку, складывая неровности или устраивая подготовку из бетонной смеси. Для сборки колец обделки в конце удлиненной части штольни устанавливают две лебедки. Одна лебедка служит для подъема тюбингов или блоков, а другая - для их оттяжки на место, соответствующее положению элемента в кольце обделки. Первые лотковые элементы обделки укладывают, не допуская отклонений от проектного положения в плане и профиле более 10 мм. При укладке лотковых блоков или тюбингов их подклинивают деревянными клиньями и раскрепляют в стенки выработки, а пустоты за ними заполняют неразмокаемым грунтом или бетонной смесью. Последующие элементы монтируют попеременно то на одной, то на другой стороне камеры, скрепляя их между собой болтами.

Монтаж обделки двумя лебедками при укладке тюбингов выше горизонтального диаметра удобно проследить с помощью (рис. 1.71). К каждому тюбингу для установки его на место прикрепляют тросы лебедок (1), переброшенные через блоки (3) и ролики (2), закрепленные на кронштейнах. Кронштейны крепят на боковых ребрах тюбингов уложенного кольца. Место установки блоков и роликов определяется местом установки тюбинга. Так, приведенная на рисунке схема соответствует монтажу тюбинга № 6.

Рис. 1.71 - Схема монтажа тюбингов лебедками

В процессе укладки замеряют диаметры колец обделки и при необходимости подклинивают отдельные элементы кольца, а также устанавливают горизонтальные стяжки для того, чтобы сохранить проектную форму кольца. После укладки замковых элементов, выверки и рихтовки первых колец монтажной камеры заобделочное пространство заполняют забутовкой из прочных грунтов или бетонной смесью, конопатят торцы древесной стружкой и деревянными клиньями и нагнетают за кольца цементно-песчаный раствор. Смонтированные прорезные кольца обделки в монтажной камере выдерживают до затвердения раствора, после чего продолжают проходку камеры на длину, необходимую для размещения укладчика обделки.

Прорезные кольца могут быть смонтированы и без применения лебедок. Для этого используют укладчик специальной конструкции типа БТУ (блокоукладчик тоннельный, универсальный). Малогабаритная рама укладчика (2) (рис. 1.72) позволяет смонтировать его в штольне (1) сечением около 9 м 2 без сооружения специальной камеры. Четыре регулируемые по высоте опоры (3) и рычаг укладки элементов обделки (4) обеспечивают механизированную сборку прорезных колец (5) и последующую проходку тоннеля диаметром от 5,5 до 7,9 м.

Рис. 1.72 - Схема монтажа прорезных колец обделки из штольни укладчиком БТУ

Проходка тоннеля . Все работы в забое выполняют с выдвижных платформ, которыми оборудован укладчик обделки. Грунт в забое разрабатывают отбойными молотками или буровзрывным способом, обуривая забой с площадок укладчика электросверлами или ручными бурильными молотками. Крепление выработки производят по утвержденному паспорту. Кровлю крепят марчеванами - досками толщиной 40-50 мм, которые в глинистых грунтах опирают одним концом на наружную поверхность обделки, другим - на грунт в забое, а в скальных грунтах укладывают по инвентарным металлическим кронштейнам (1) (рис. 1.73). Кронштейны крепят болтами к торцовому ребру каждого элемента в верхней части кольца обделки. При соответствующем оснащении укладчика выдвигают смонтированные на нем защитные козырьки. Лоб забоя крепят досками (2) или металлическими сетками в рамках. Доски или рамки закладывают за металлические трубы (3) диаметром 125-150 мм, которые располагают горизонтально на расстоянии h друг от друга (1,2-1,5 м). Выдвижные концы труб заводят в лунки, устроенные в боках выработки, и раскрепляют распорками в торцы ранее уложенного кольца обделки. Дополнительно трубы прикрепляют к забою стальными штырями (5), заделанными в лоб забоя, и деревянными клиньями (4) распирают на них доски крепи или рамки.

Рис. 1.73 - Схема крепления забоя при проходке тоннеля сплошным забоем с возведением сборной обделки

Взорванный грунт грузят в вагонетки породопогрузочной машиной, тип которой определяют в зависимости от требуемой производительности, диаметра тоннеля и вида тоннельного транспорта.

Способ сплошного забоя с возведением сборной обделки следует рассматривать как основной при сооружении перегонных и станционных тоннелей метрополитена в устойчивых грунтах. Большинство перегонных тоннелей, строящихся закрытым способом в устойчивых грунтах, сооружают проходческими комплексами КМ-14Гп или АБТ-5,5. Комплекс АБТ-5,5 предназначен для сооружения тоннелей в скальных грунтах. Цикл работ начинают с обуривания забоя самоходной высокопроизводительной гидрофицированной буровой кареткой (1) типа БКГ-2 или БУР-2Б (рис. 1.74, а). Каретка позволяет бурить шпуры диаметром 42 мм глубиной до 2,8 м в грунтах с коэффициентом крепости f ≤ 6. На время обуривания забоя укладчик обделки (5), оснащенный защитой от взрыва, откатывают от забоя. Металлоконструкция укладчика позволяет пропускать под ней самоходную буровую каретку. Взорванный грунт грузят в вагонетки породопогрузочной машиной (5) типа 1-ППН-5 (рис. 1.74, б). После окончания погрузки грунта укладчик подкатывают к забою и с помощью рычага (2) ведут монтаж очередного кольца обделки. Буровая каретка, породопогрузочная машина, укладчик обделки и вагонетки передвигаются по рельсам, уложенным на сочлененной платформе (6). Секции платформы поочередно подтягивают к забою гидроцилиндрами передвижения. В конце комплекса установлена технологическая тележка (4) с нагнетателями раствора за обделку и платформа (7) со стрелочным переводом. Агрегат обслуживает бригада из 6 человек (бурильщик и его помощник, два проходчика, машинист укладчика и нагнетальщик). Темп проходки в грунтах с коэффициентом крепости, равным 7, при глубине бурения 2,75 м достигает 110-120 м в месяц.

Рис. 1.74 - Схема сооружения перегонного тоннеля в скальных грунтах механизированным комплексом АБТ-5,5

В грунтах с коэффициентом крепости не более 4 целесообразно рассмотреть возможность замены буровой каретки и породопогрузочной машины агрегата на комбайн со стреловым исполнительным органом типа 4ПП-2.

Для сооружения тоннелей большого диаметра (8,5-10,2 м) предназначены комплексы КМ-15Гп и КМ-36Гп.

Тоннель - горизонтальное или наклонное искусственное подземное сооружение, предназначенное для транспорта, пропуска воды, размещения коммуникаций или производственных предприятий.

По назначению тоннели делятся на семь групп:

• железнодорожные
• автодорожные
• метрополитенов
• гидротехнические
• коммунальные
• горнопромышленные
• специальные

По местоположению тоннели подразделяют на:

• горные (проложенные в горных районах - через хребты, водоразделы и отдельные возвышенности);
• подводные (тоннели, сооружаемые под руслом водотока (или под другой водной преградой, например морским проливом), для пропуска транспортных средств и размещения инженерных коммуникаций);
• равнинные, или городские (например, тоннели метрополитенов).

Глубина заложения тоннеля, его длина, расположение, форма поперечного сечения зависят от назначения тоннеля, топографических, геологических и климатических условий. Продольный профиль тоннеля может быть одно- и двускатным (с уклоном в обе стороны от середины тоннеля).

Проходка тоннелей относится к одному из самых сложных видов строительных работ. Проходку тоннеля ведут ограниченными по длине одинаковыми участками - заходками. Длина участка - глубина заходки - зависит от инженерно-геологических условий заложения тоннеля, размеров его поперечного сечения, главным из которых является ширина, способа проходки, материала обделки. При проходке тоннеля в скальных и полускальных грунтах глубина заходки, определяемая в первую очередь степенью устойчивости грунтового контура выработки, составляет 2-4 метра.

Тоннельные работы организуются по поточному методу с цикличным их выполнением. Строительный процесс сооружения тоннеля разделяется по видам работ. Принцип организации работ поточным методом заключается в том, что продвижение фронта работ каждой рабочей зоны вслед за передовым забоем ведется с постоянной скоростью. В этом случае все работы по сооружению тоннеля представляют собой единый строительный поток, обеспечивающий сооружение готового тоннеля со скоростью продвижения передового забоя. Максимально возможная скорость продвижения фронта работ в каждой рабочей зоне может быть различной и определяется технологическими возможностями.

Вторым принципом организации тоннельных работ является цикличность их выполнения. Под циклом понимают завершенный процесс выполнения определенного объема работ, повторяющихся через одинаковые промежутки времени. Продолжительность цикла должна быть такой, чтобы за смену или сутки завершалось челое число циклов. Это позволяет лучшим образом организовать работу сменных бригад рабочих и повышает их ответственность за качество работ.

Описанные выше горные способы работ (опертого свода опорного ядра, раскрытия на полное сечение по частям) являются трудоемкими, поскольку разработку грунта и устройство обделки ведут отдельными частями, а не на все сечение тоннеля.

При этих способах вследствие загромождения сечения тоннеля временным креплением и необходимости возведения постоянной обделки на узком фронте работ возможность применения высокопроизводительной горнопроходческой техники ограничивается, а скорости проходки низкие.

Разработаны новые методы работ, которые позволяют раскрывать сечение тоннеля сразу на возможно больший профиль с установкой временной крепи, не загромождающей сечение, и последующим возведением постоянной обделки на широком фронте. К таким методам относятся:

метод проходки с устройством податливого свода (разработан австрийскими инженерами в середине шестидесятых годов и получил название новоавстрийского);

метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи (предложен советскими специалистами);

новый вариант метода опорного ядра.

Метод проходки с устройством податливого свода (новоавстрийский метод). Разработка технологии работ по сооружению тоннеля этим методом исходит из следующих основных положений.

После проходки горной выработки порода в естественном массиве постепенно переходит из упругого состояния в состояние потери устойчивости и далее в неустойчивое состояние. Установка временной крепи во время проходки должна обеспечить устойчивость массива. При этом крепь может работать как жесткая опора для окружающего массива, или как податливая конструкция, допускающая деформации совместно с массивом.

Рис. 118. Сравнение конструкций обделок, выполненных по различным технологиям: а - горный способ; б - новоавстрийский способ; 1 - деревянная затяжка; 2 - стальная арка; 3 - рошпаны (1, 2 и 3 составляют временную крепь, расположенную вне постоянной обделки); 4 - бетонная или железобетонная постоянная обделка; 5 - обратный свод; 6 - несущий породно-анкерный свод; 7 - анкеры (в шахматном порядке); 8 - наружный слой обделки из набрызгбетона толщиной 5-15 см (вместе с анкерами служит временной крепью); 9 - внутренний слой постоянной обделки из набрызгбетона или бетона толщиной 10-35 см

Податливая конструкция крепи дает возможность максимально использовать собственную несущую способность породного массива. При этом крепление выработки следует выполнять как можно быстрее после разработки породы с тем, чтобы эффективно использовать естественную устойчивость породы до перехода ее в неустойчивое состояние. Это достигается путем создания податливого свода состоящего из тонкой оболочки набрызгбетона, плотно нанесенной на породу и армированной (в случае необходимости) сеткой или арками, и слоя прилегающих к этой оболочке пород, включенных в работу свода путем установки в породу системы анкеров различной длины. В таком искусственно созданном податливом своде гибкая оболочка из набрызгбетона воспринимает лишь незначительные изгибающие нагрузки, а слой пород, закрепленный анкерами, принимает на себя основное горное давление (рис. 118).

Возведенное таким образом временное крепление, взаимодействующее с породой и плотно к ней прижатое по всему периметру выработки, искусственно удлиняет время сохранения устойчивости горными породами до тех пор, пока не будет возведена постоянная обделка. При этом сечение тоннеля освобождается, что дает возможность широко применять высокопроизводительные горнопроходческие механизмы, а постоянную обделку можно возводить на значительном удалении от забоя и сразу по всему сечению с использованием механизированной опалубки и бетоноукладочных машин.

При этом методе в ходе проходки необходимо систематически вести контрольные измерения горного давления, нагрузок на крепь и деформаций крепи и массива. Это дает возможность на основании результатов измерений в зависимости от толщины слоя набрызгбетона, длины и диаметра анкеров увеличивать, при необходимости число анкеров и толщину слоя набрызгбетона.

Новоавстрийский метод можно применять в разнообразных и сложных инженерно-геологических условиях (например, в неустойчивых или подверженных пучению породах при проходке горных тоннелей, а также для безосадочной проходки тоннелей метрополитенов).

Новоавстрийский метод дает возможность скоростного и экономичного сооружения тоннелей, поскольку применение податливой крепи и оптимальное использование естественной устойчивости массива позволяют уменьшить металлоемкость временной крепи и толщину постоянной обделки, которую рассчитывают с учетом восприятия горного давления временной податливой крепью.

В благоприятных геологических условиях, например в скальных породах, можно применять только набрызгбетон, оставляя небольшое число анкеров в породе.

Рис. 119. Технологическая схема сооружения тоннеля новоавстрийским методом: 1 - буровой портальный агрегат; 2 - анкеры; 3 - сетка; 4 - слой набрызгбетона; 5 - установка для нанесения набрызгбетона, смонтированная на автомобиле; 6 - тележка с измерительными приборами; 7 - механизированная опалубка, 8 - постоянная обделка тоннеля

В зависимости от размеров поперечного сечения тоннеля и гор-но-геологических условий раскрытие забоя производят на полный профиль или одним-двумя уступами (рис. 119). Технологический процесс включает следующие основные операции (порядок их может меняться в зависимости от геологических условий):

бурение шпуров, разработка и уборка породы. При выполнении этих работ необходимо получить по возможности более гладкую поверхность выработки для упрощения набрызгбетонных работ. Целесообразно применять комбайновую проходку, а при взрывных работах - способ гладкого взрывания;

нанесение слоя набрызгбетона. Этот процесс должен осуществляться непосредственно после разработки породы свода с минимальным отрывом по времени. В зависимости от геологических условий набрызгбетон наносят на боковые и лобовые поверхности забоя в несколько слоев, при толщине каждого слоя от 5 до 10 см. При нанесении на металлическую сетку необходимо следить, чтобы она прочно и плотно была прикреплена к породе или ранее уложенному слою набрызгбетона;

установка анкерной крепи. Эту операцию осуществляют в непосредственной близости от забоя сразу после нанесения набрызгбетона. Необходимо строго соблюдать проектное расположение, глубину и диаметр шпура; длина и наклон анкеров могут меняться в зависимости от конкретных геологических условий на отдельных участках;

проведение контрольных измерений и поддержание выработки временной крепью до возведения постоянной конструкции обделки. Эту работу ведут по разработанной заранее программе, определяющей размещение оборудования для измерения, частоту измерения, обработку информации. Данные контрольных измерений используют при усилении набрызгбетонной обделки или при расчетах конструкции постоянной обделки;

возведение постоянной конструкции обделки с учетом данных контрольных измерений.

Метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи. Технология проходки с применением арочно-бетонной крепи также базируется на применении крепей ограниченной податливости, позволяющих реализовать несущую способность горного массива. Основными конструктивно-технологическими принципами этой технологии являются: немедленное возведение у забоя металлической арочной крепи, рассчитываемой на частичное восприятие расчетной величины горного давления в строительный период, и замена традиционной дощатой затяжки бетонным слоем минимальной толщины, уложенным между породой и внешней полкой установленной арки (рис. 120).

Эта крепь ограниченной податливости обеспечивает поддержание выработки в строительный период вначале за счет деформа-тивности собственно арок, а позже за счет ползучести бетона, которая затухает по мере его твердения. В этот период производят замер деформаций арочно-бетонной крепи для контроля правильности принятых расчетных предпосылок. Если деформации незначительны или отсутствуют, то арки можно демонтировать для повторного использования на следующих участках тоннеля.

Возведенную таким образом временную арочно-бетонную крепь (с арками или без них) используют в постоянной обделке, в качестве первого слоя, рассчитанного на восприятие горного давления. Толщину второго слоя постоянной обделки определяют расчетом многослойной системы на нагрузки эксплуатационного периода (гидростатическое давление, остаточное горное давление, сейсмические воздействия и т. д.).

В технологический процесс при этом методе сооружения тоннеля входят следующие операции:

бурение шпуров, разработка и уборка породы;

установка арок крепления, монтаж опалубки и укладка бетона за арки;

установка марок для измерения смещений бетона, проведение измерений и принятие решения о снятии или оставлении арок;

бетонирование внутреннего слоя постоянной обделки.

Новый вариант метода опорного ядра. Этот метод (рис. 121) применяют в грунтах с коэффициентом крепости от 1 до 4. Технология работ состоит в следующем. В начале по обеим сторонам будущего тоннеля проходят опорные выработки круглого или подковообразного поперечного сечения, причем проходку ведут с опережением одной выработки по отношению к другой. После проведения опорных выработок в них бетонируют стены будущего тоннеля. Затем проходят калоттный профиль с одновременным возведением свода тоннеля из сборных или монолитных железобетонных конструкций с опережением их на длину возведенных стен. На последней стадии разрабатывают ядро и бетонируют обратный свод.

Рис. 120. Технологическая схема проходки тоннеля с арочно-бетонной крепью: 1 - временная арочно бетонная крепь; 2 - буровой портальный агрегат; 3 - стальные арки; 4 - первичная бетонная обделка; 5 - бетоносмеситель с бетононасосом; б - вентиляционный короб; 7 - технологическая тележка с арками; 8 o- механизированная опалубка; 9 - постоянная бетонная обделка;, 10 oo- бетонирование нижних частей стен обделки; 11 --опалубка стен; 12 - бульдозер

Рис. 121. Технологическая схема сооружения тоннеля новым вариантом метода опорного ядра со сборно-монолитной обделкой: а - проходка опорных тоннелей или штолен; б - возведение боковых бетонных стен; в-проходка сводовой части; г - разработка ядра; д - сооружение обратного свода; 1 - опорные тоннели; 2 - сборная обделка опорных тоннелей; 3 - блокоу кладчик; 4 - породопогрузочная машина; 5 - тележка для нагнетания раствора за обделку; 6 - вентиляционная труба; 7 - боковые бетонные стены; 8 - пневмобе-тононагнетатель; 9 - электровоз; 10 - опалубка стен; 11 - ядро; 12 - калоттная часть тоннеля; 13 - обделка свода из сборных железо-бетонных блоков; 14 - укладчик обделки свода; 15 - самоходный вагон-самосвал; 16 - самоходная буровая установка; 17 - самосвальный автопоезд; 18 - тоннельный экскаватор; 19 - обратный «вод

Весь комплекс работ выполняют с применением высокопроизводительного оборудования: щитов, укладчиков, породопогрузочных машин, экскаваторов, механизированной опалубки, бетононасосов и автомобильного транспорта. По такой технологии сооружают односводчатые станции.