Конструкции тоннельных обделок городских инженерных подземных сооружений.

Конструктивные решения коллекторных тоннелей зависят от способа производства горных работ: закрытого или открытого. В первом случае обделки имеют, как правило, круговое очертание, во втором случае — прямоугольное.

Обделки тоннелей при закрытом (щитовом) способе производства горных работ выполняются главным образом, сборными из железо­бетонных и бетонных блоков, железобетонных тюбингов, железобе­тонных колец, керамических блоков, чугунных и стальных тюбин­гов. В последнее время начинают применяться прогрессивные кон­струкции из монолитного прессованного бетона и прессованного

железобетона.

Значительная часть коллекторных тоннелей, сооружаемых щи­тами с наружным диаметром 2 м, закреплена обделкой из мелко­размерных керамических блоков (рис. 13.1, а). Кольцо состоит из 16 трапециевидных блоков двух типов. Сопряжение между отдель­ными блоками и смежными кольцами выполнено по схеме «выступ— паз». Обделка монтируется с перевязкой швов путем смещения блоков смежных колец на половину их длины. Небольшая масса блоков обеспечивает возможность их монтажа вручную, что яв­ляется достоинством обделки. Наряду с этим керамическая обделка имеет сравнительно высокую стоимость, довольно часто разру­шается под действием монтажных нагрузок от щитовых домкратов и обладает значительной водопроницаемостью, что требует возве­дения дополнительной железобетонной обделки.

Сборная обделка из бетонных и железобетонных блоков, имею­щая более высокую прочность и водонепроницаемость, в настоящее время является преобладающей при креплении коллекторных тон­нелей. Конструкции из мелкоразмерных железобетонных блоков аналогичны описанной конструкции из керамических блоков и при­меняются в тоннелях, сооружаемых щитами с наружным диамет­ром DH = 2,0; 2,56; 3,6 м. На рис. 13.1, б показана конструкция такой обделки в тоннеле, сооружаемом щитом с DH = 3,6 м. Кольцо обделки собирается из 20 трапециевидных блоков двух типов. Со­пряжение блоков в кольце осуществляется по цилиндрическим по­верхностям, а между кольцами — по схеме «выступ—паз». Мате­риал блоков — бетон марки 250 с расходом арматуры 6,4 кг на один блок. Наличие большого числа блоков в обделке (40 шт. на 1 м тоннеля) увеличивает протяженность швов и, следовательно, ее водопроницаемость.

Более прогрессивной конструкцией является обделка из укруп­ненных железобетонных блоков, проектируемая для тоннелей, сооружаемых щитами с DH = 2,0; 3,6 м. Такая обделка для щитов с DH = 3,6 м состоит из 11 блоков в кольце (рис. 13.1, в), включая девять нормальных прямоугольных, один смежный и один замко­вый трапециевидный. Сопряжение блоков осуществляется так же, как и в предыдущей конструкции. Блоки изготовляют из бетона марки 300 с расходом арматуры 13,3 кг на один блок.

Увеличение размеров блоков с целью повышения прочностных и гидроизоляционных свойств конструкций привело к разработке серии крупноблочных железобетонных обделок для щитов с DH = = 2,1; 2,6; 3,2; 3,6; 3,7; 4,0 м. По конструктивным особенностям их можно подразделить на обделки, состоящие только из прямо­угольных элементов, из прямоугольных и трапециевидных элемен­тов и только из трапециевидных элементов.

Крупноблочная обделка, показанная на рис. 13. 1, г для щитов с DH = 3,6 м, состоит из восьми блоков в кольце прямоугольного и трапециевидного очертания: пять нормальных прямоугольных, два смежных трапециевидных (с одной наклонной стороной) и один замковый трапециевидный уменьшенных размеров, установка ко­торого создает эффект предварительного обжатия обделки в породу. В кольце блоки сопрягаются по цилиндрическим поверхностям и имеют тампонажные отверстия. Материал обделки—бетон марки 400 с расходом арматурной стали 22,6 кг на один блок. Несмотря на усложнение конструкции, такую обделку следует признать, весьма перспективной при сооружении тоннелей в плотных грунтах

способом обжатия в породу.

Крупноблочные обделки из элементов трапециевидной формы являются преобладающими в отечественной практике. Такая кон­струкция положена в основу разработанных Мосинжпроектом уни­фицированных обделок коллекторных тоннелей, сооружаемых щи­тами с DH = 2,0; 2,1; 2,6; 3,6; 4,0 м (рис. 13.1,д) Обделки тонне­лей всех диаметров собираются из шести блоков трапециевидной формы с цилиндрическими продольными стыками, имеющих ши­рину b и толщину t в зависимости от диметра DH. Смежные кольца соединяются по схеме «выступ—паз» с перевязкой швов. Блоки выполнены из бетона марки 400 и армированы сварными каркасами. Железобетонные тюбинговые обделки проектируются для кол­лекторных тоннелей, сооружаемых щитами с DH = 2,15; 2,61; 3,23; 3,63; 4,03 м (ленинградский тип обделки) и DH = 2,0; 2,56 м (московский тип обделки). Например, кольцо обделки для щита с DH = 3,63 м собирается из шести трапециевидных тюбингов двух типов, соединение между которыми осуществляется по плоским поверхностям. Тюбинги смежных колец соединяются шпильками. По внутреннему контуру каждого тюбинга предусмотрена чеканоч­ная канавка. После монтажа колец шпильки затягиваются гайками с гидроизолирующими металлобитумными шайбами. Ширина, кольца 800 мм, толщина 190 мм. Обделку изготовляют из бетона марки 400 с расходом арматуры 26,3 кг на одни тюбинг.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике при­меняются обделки коллекторных тоннелей в виде цельнозамкнутых железобетонных элементов (колец) кругового, эллиптического и прямоугольного очертания, которые обеспечивают высокую не­сущую способность и водонепроницаемость. Особенно перспектив­ной представляется технология монтажа таких элементов способом продавливания за щитом с помощью специальной гидродомкратной установки. Конструкции железобетонных колец кругового очертания раз­работаны для использования немеханизированными щитами с DH = 2,0м и механизированными комплексами КШ-1,8К c DН, = 2,1м. Для сопряжения смежных колец их торцы выполнены в виде кольцевого паза и кольцевого выступа. Каждое кольцо снаб­жено двумя тампонажными отверстиями. Кольцо для щита с DН = 2 м имеет внутренний диаметр 1,67м, толщину 155 мм и ширину 1200 мм. Материал обделки — бетон марки 400 с расходом арматур­ной стали 250кг на одно кольцо.

Сборная обделка коллекторных тоннелей из чугунных тюбин­гов имеет весьма ограниченное применение, главным образом при строительстве тоннелей, залегающих в водоносных породах.

Поскольку немедленное включение в совместную работу с ок­ружающими породами и предотвращение осадок земной поверх­ности являются основными требованиями к проектированию кол­лекторных обделок, сборные конструкции, обжимаемые в породу, представляются весьма перспективными. В отечественной прак­тике имеется положительный опыт применения таких обделок. Так, например, при строительстве в Киеве участка коллекторного тоннеля протяженностью 4,9км в пластичных глинах была исполь­зована конструкция, показанная на рис. 13.1, г, которая обжима­лась в породу путем вдавливания клиновидного замкового блока по схеме, приведенной на рис. 11.16, д.

При расчете сборных круговых обделок коллекторных тонне­лей могут быть использованы две основные расчетные схемы, пока­занные на рис. 11.17, а, б: цельнозамкнутые и чугунные тюбинго­вые обделки, имеющие связи растяжения, могут рассчитываться по обеим схемам в зависимости от наличия упругого отпора окру­жающих пород; сборные обделки, не имеющие связей растяже­ния,— только по второй схеме (кольцо в упругой среде). При этом необходимы дополнительные расчеты на смятие торцов смежных элементов и под опорными поверхностями гидравлических домкра­тов, особенно при проектировании предварительно обжатых обде­лок, а также обделок, возводимых способом продавливания.

Монолитные обделки коллекторных тоннелей'из прессованного бетона относятся к прогрессивным конструкциям, так как обеспе­чивают безосадочное проведение тоннелей, высокую водонепро­ницаемость и несущую способность. -Например, прессованная бе­тонная обделка с наружным диаметром 4,1м и толщиной 300 мм возведена и успешно эксплуатируется в тоннеле-коллекторе р.Неглинной на участке длиной 540 м на глубине 8—10 м. Рас­четная схема такой обделки может быть представлена в виде кольца в упругой среде, работающего в режиме взаимовлияющих дефор­маций с породным массивом по всему контуру.

Обделки коллекторных тоннелей, сооружаемых открытым спо­собом производства горных- работ, выполняются прямоугольного очертания в виде сборных конструкций и очень редко монолитными. Сборные железобетонные конструкции коллекторных тоннелей монтируются из унифицированных элементов заводского изготовления: перекрытий, лотковых и стеновых элементов, которые по­зволяют собрать однопролетные конструкции, а в сочетании с эле­ментами промежуточных опор — двухпролетные конструкции. Та­кие унифицированные конструкции сборных обделок, разработан­ные Мосинжпроектом, приведены соответственно на рис. 132, а и б с указанием необходимых размеров в табличной форме. Соеди­нение элементов осуществляется сваркой и замоноличиванием за­кладных деталей. Гидроизоляция сборных конструкций включает заполнение швов битумно-минеральной или асбестоцементной мас­сой и покрытие внешней поверхности конструкций изолирующей мастикой. Перспективными железобетонными конструкциями яв­ляются обделки из вибропрокатных панелей и цельносекционные обделки прямоугольного очертания. Конструктивные решения и со­ответствующие расчетные схемы во многом аналогичны конструк­тивным решениям и расчетным схемам транспортных тоннелей.

2. Скважинное водопонижение.

Применяется на глубину до 350м. Коэф. Фильтрац. 3(5) м/сут. Водопонизительные установки из системы отдельных сква­жин применяют в виде: самоизливающихся скважин различ­ного наклона; водопоглощающих скважин; сквозных фильтров и водопонижающих скважин, оборудованных глубинными на­сосами.

Самоизливающиеся скважины применяют для снятия избы­точного давления в напорных водоносных горизонтах, а также для глубокого водопонижения (горизонтальные скважины на откосах открытых котлованов, лучевые водозаборы, восстаю­щие скважины из подземных выработок). Такие скважины вы­полняют в большинстве случаев вертикальными или под не­большим углом к вертикали и забуривают с разных горизон­тов: с поверхности земли, с берм на откосах, со дна котлова­на, из подземных выработок — в зависимости от принятого по­рядка производства работ и от объекта, для защиты которого они предназначены. Они могут служить в основном средством снятия напора, когда излив из них обеспечивает достаточное снижение пьезометрического уровня грунтовых вод в напор­ном водоносном слое или же могут быть использованы в каче­стве резервного мероприятия, когда напор снимается с помо­щью водопонизительных скважин на случай аварийных пере­рывов в работе насосов.

Число самоизливающихся скважин и их параметры — диа­метр, длина фильтрового звена, состав фильтровой обсыпки, отметка устья — определяют расчетом с учетом отметки изли-ва воды и гидравлических потерь напора в них.

Размещение самоизливающихся скважин выбирают с уче­том местных гидрогеологических условий, а также условий производства работ (конфигурация котлована, траншей, под­земных выработок, размещения оборудования, трасс движе­ния механизмов и транспорта).

В подземных выработках самоизливающиеся скважины при­меняют любого наклона и используют в зависимости от необ-

ходимости для водопонижения во всех слоях, окружающих вы­работки. Эти скважины бурят специальными станками непо­средственно из подземных выработок. Скважины могут при­меняться как в скальных, так и в- нескальных грунтах. Неглу­бокие самоизливающиеся скважины в нескольких грунтах можно выполнять путем забивки" или вдавливания фильтровой колонны в потолок, стенки или почву горной выработки (за­бивные фильтры).

Водопоглощающие скважины применяют для сбрасывания грунтовых вод в нижележащие пласты; для водопонижения в условиях, когда ниже водоупора, подстилающего верхние во­доносные грунты, залегают неводоносные грунты, имеющие ' коэффициенты фильтрации не ниже 10 м/сут, или при значи­тельной разности пьезометрических уровней водоносных плас­тов.

Для их эффективной работы необходимо соблюдение усло­вий, которые редко сочетаются одновременно: скважины долж­ны располагаться в тех районах, где верхний водоносный слой хорошо отдает воду и имеет достаточную толщу ниже той отметки, до которой требуется понизить уровень грунтовых вод; скважины должны располагаться на тех уровнях, когда ниже­лежащие грунты способны хорошо принимать воду (обладают достаточно высокой поглощающей способностью) и иметь ко­эффициент фильтрации, минимум в 2 раза больший коэффици­ента фильтрации вышележащих пород.

Сквозным фильтром называют скважины, пробуренные с поверхности земли, выходящие в подземную выработку и обо­рудованные фильтровыми устройствами в зоне осушаемых по­род. Вода проникает через фильтр в скважину, а оттуда сбра­сывается в подземную горную выработку. Сквозные фильтры преимущественно распространены в горнодобывающей промышленности, но не исключено их применение и на других подземных объектах, когда для строительства подземного со­оружения возможно и оправдано устройство дренажных вы­работок (тоннелей, галерей, штолен, штреков). Сквозные фильтры оборудуют фильтровыми звеньями во всех водонос­ных слоях, которые они прорезают. При небольшой толщине водоносных слоев они полностью перекрываются фильтрами, при большой — фильтры устанавливают в нижней части водо­носного горизонта. В нижней части сквозные фильтры обору­дуют задвижками.

Водопонизительные скважины (рис. 2.14), оборудованные глубинными насосами, применяют для откачки воды из водо­носных пород с коэффициентом фильтрации более 2 м/сут, требующих. значительного понижения уровня грунтовых вод, а также при небольших глубинах водопонижения, когда ис­пользование иглофильтров затруднительно из-за больших притоков, необходимости осушения значительных площадей и стесненности территории.

Рис. 2.14. Водопонизительная скважина с погружным насосом:

1—отводящий трубопровод; 2— задвижка; 3 — заглушка; 4 — фундамент трубопровода; 5 — скважина; 6 — заполнитель (печнано гравилистая засыпка 5-15см) ; 7 — сплошная тру­ба с фильтром; 9 — гравийная обсыпка; 10 — на­порный трубопровод; 11— погружный насос с электродвигателем; 12 — отстойник; 13 — заглуш­кА

3. КОНСТРУКЦИИ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Щитовую технологию строительства тоннелей применяют в широком диа­пазоне горно-геологических условий. Принципиальная схема щитовой тех­нологии представлена на рис. 2.1.

Основным элементом этой технологии является проходческий щит, представляющий собой передвижную временную крепь в виде ци­линдрической оболочки, под прикрытием которой выполняют необходи­мые проходческие операции: разработку и погрузку грунта, транспорти­рование грунта за пределы щита, возведение обделки тоннеля. Выемку грунта осуществляют в головной (ножевой) части щита, возведение об­делки — в хвостовой.

Перемещение щита осуществляют по мере подвигания забоя, при этом его ножевая часть защищает кровлю и борта тоннеля от обрушений. Как только щит переместят на расстояние, равное ширине кольца об­делки, возводят очередное кольцо. Таким образом, цикл работ постоянно повторяется: выемка грунта — передвижение щита — возведение об­делки.

Возведение обделки сопровождается весьма важной вспомогательной операцией — закрепным тампонажем, связанным с заполнением коль­цевого зазора между обделкой и поверхностью грунта.

Конструктивно щит представляет собой цельносварную или собирае­мую из отдельных элементов металлическую оболочку, как правило, ци­линдрической формы, состоящую из трех основных частей (рис. 2.2). Пе­редняя часть, имеющая цилиндрическую режущую кромку или высту­пающий козырек (аванбек) в верхней части забоя, непосредственно кон­тактирует с последним. В средней опорной части по периметру разме­щены домкраты передвижки щита. Эта часть щита обладает наибольшей прочностью и жесткостью благодаря опорным кольцам и ребрам жест­кости, расположенным в промежутках между домкратами. Здесь следует добавить, что в опорной части щита диаметром более 4 м для придания ему большей прочности и жесткости монтируют массивные вертикальные и горизонтальные перегородки из балок спецпрофиля. На этих перего­родках монтируют также выдвижные горизонтальные рабочие площадки для размещения проходчиков и забойные малогабаритные домкраты для удержания поверхности забоя от оползания и обрушения. И, наконец, хвостовая часть щита представляет собой цилиндрическую оболочку, внутри которой возводят очередное кольцо обделки.

Ножевую и опорную части щита собирают из отдельных литых или сварных элементов ребристого сечения из лекальных стальных листов. Оболочки щитов большого диаметра делают многослойными

Рис. 2.1. Принципиальная схема щитовой технологии:

1 —демонтажная шахта; 2 — забой тоннеля; 3 — проходческий щит; 4 — блокоукладчик; 5 — погрузочная машина; 6 — конвейер-пере­гружатель; 7 — состав вагонеток со съемными кузовами; 8 — монтажная шахта (ствол); 9 — загруженная вагонетка; 10 — блок обделки перед спуском; // — автомобильный кран; 12 — бункер; 13 — самосвал для транспортирования грунта

Рис. 2.2. Конструкция проходческого щита:

1-3 — соответствен­но ножевая, опорная и хвостовая части щита; 4 — домкраты пере­движки щита; А — на­правление движения щита; Dщ — диаметр щита; Lщ — длина щита

Передвижку щита осуществляют гидравлическими домкратами, ци­линдры которых жестко закреплены в опорной части, а штоки — спе­циальными башмаками упираются в торец возведенного кольца обделки. Число домкратов и их суммарное усилие зависят, главным образом, от диаметра щита и необходимого усилия передвижки. Гидравлическая сис­тема домкратов состоит из трубопроводов высокого давления, вентилей и золотникового переключателя. Вентили позволяют включать и выклю­чать любой из домкратов или их группу, изменяя направление движения щита. Усилие каждого щитового домкрата передвижения достигает 2000-2500 кН, а забойных домкратов — всего 40—50 кН.

Для возведения обделки используют специальные механизмы — блоко- или тюбингоукладчики. Блокоукладчики применяют в щитах диа­метром до 4 м, и обычно они составляют единое целое со щитом. Тю­бингоукладчики используют при проведении тоннелей метрополитена диаметром 6 м и более, они представляют собой установки портального типа, перемещающиеся по рельсовым путям или специальным направ­ляющим и функционирующие автономно от щита. Подробная информа­ция о тюбингоукладчиках будет дана при рассмотрении процесса возве­дения обделки.

Щиты отличаются формой и размерами поперечного сечения, несу­щей способностью, способом разработки грунта и др. В принципе, воз­можны различные формы поперечного сечения: круглая, овальная, пря­моугольная, трапециевидная (в соответствии с формой поперечного се­чения тоннеля), однако преобладающей является круглая, повторяющая наиболее рациональную форму поперечного сечения тоннеля.

В зависимости от уровня механизации основных производственных процессов щиты подразделяют на полумеханизированные и механизиро­ванные. Последние, в свою очередь, подразделяют на щиты с открытой и закрытой головной частью (щиты с гидропригрузом).

Главное отличие полумеханизированных щитов от механизирован­ных состоит в том, что в них отсутствуют устройства или агрегаты для разрушения грунта и его погрузки, конструктивно связанные со щитом.

В зависимости от физико-механических свойств грунта его разработку осуществляют либо вручную, либо буровзрывным способом, погрузку — автономными погрузочными машинами на конвейер-перегружатель с дальнейшим транспортированием в вагонетках.

В механизированных щитах комплексно механизированы такие ос­новные производственные процессы, как разрушение грунта, его погруз­ка и транспортирование, причем применяемое для этого оборудование конструктивно связано со щитом в единое целое. Обязательной также является механизация процесса возведения обделки и вспомогательных процессов. Уровень механизации в таких щитах достигает 90%.

Основным элементом механизированного щита является рабочий орган. Он характеризует конструкцию щита, определяет его конструк­тивный признак и технологические особенности. Наиболее распростра­ненными типами рабочих органов являются роторный, планетарный, штанговый, экскаваторный. К механизированным щитам относят и щиты, имеющие в ножевой части жесткие горизонтальные площадки, оснащенные устройствами активного дозирования разрабатываемого грунта. Такие щиты с использованием принципа опережающего вдавли­вания режущей кромки в грунт находят применение в песчаных грунтах.

Все вышесказанное относится к таким горно-геологическим услови­ям, когда грунт в забое имеет относительную естественную устойчивость в вертикальном положении, что позволяет вести его разработку различ­ными типами рабочих органов, как правило, без создания дополнитель­ного пригруза на забой. Рабочий орган в забое не изолируют от остальной части щита. Отсюда и название — щиты с открытой головной час­тью.

Применение механизированных щитов с открытой головной частью в условиях слабых обводненных грунтов, в которых естественная устой­чивость забоя отсутствует, практически исключено. В этих условиях для удержания забоя в вертикальном положении приходится создавать до­полнительное давление на забой — пригруз, который может быть создан путем нагнетания в специально создаваемую призабойную камеру огра­ниченного объема сжатого воздуха (кессон), глинистого раствора, гли­нистой пасты в смеси с разрабатываемым грунтом, а также вспениваю­щих добавок. Призабойную камеру отделяют от остальной части щита герметической перегородкой, образуя закрытую головную часть. Отсюда название — щиты с закрытой головной частью.