Тоннели, сооружаемые горным способом (специализация Т)
1.1. Способы разработки грунта, проходки тоннелей и производства работ
Тоннель – это протяженное подземное или подводное искусственное сооружение, предназначенное для пропуска транспорта, пешеходов, коммуникаций, жидкостей, воздуха и т.д.
По назначению тоннели подразделяются следующим образом.
– Тоннели на путях сообщения: железнодорожные, автодорожные, совмещенные, тоннели метрополитенов, судоходные, пешеходные, биопереходы (wildlife tunnels).
– Гидротехнические: тоннели ГЭС,тоннели АЭС,тоннели для водоснабжения, мелиоративные.
– Коммунальные:канализационные, коллекторные.
– Горнопромышленные: транспортные, дренажные, вентиляционные.
– Специального назначения: подземные заводы, склады и хранилища, убежища гражданской обороны, сооружения научно-исследовательских объектов.
Тоннели обладают двумя принципиальными свойствами.
1. Геометрическое свойство: один размер многократно превосходит два других (длина многократно превосходит поперечное сечение). Это свойство оказывается полезным в случае расчета тоннельной конструкции. Вместо сложной объемной задачи проектировщики могут рассчитать только одно или несколько поперечных сечений (решить плоскую задачу).
2. Конструктивное свойство: тоннель является одним из немногих сооружений, которое всей своей несущей конструкцией (обделкой) взаимодействует с окружающими грунтами.
Четыре фактора влияния грунта на обделку:
- грунт выступает в качестве основания для обделки;
- грунт формирует основную нагрузку на обделку;
- грунт оказывает упругий отпор при деформации обделки от активной нагрузки;
- грунт создает силы трения на контакте "обделка-грунт".
В отечественном тоннелестроении широко распространена система классификации грунтов по параметру крепости - сопротивляемости грунту разработке. Ниже представлена обобщенная классификация грунтов по М.М. Протодьяконову.
Можно выделить способы разработки грунтов в зависимости от их коэффициента крепости.
Крепкие скальные грунты с коэффициентом крепости f > 6, предел прочности на сжатие которых превышает аналогичный показатель у бетона, как правило, можно разрушить только энергией взрыва.
Для скальных и полускальных грунтов с коэффициентом крепости в пределах f = 2..5 возможна механизированная разработка с использованием специальных машин, обладающих острыми фрезами из высокопрочной стали (проходческих комбайнов).
Более слабы грунты могут разрабатываться ручным инструментом - отбойными молотками или даже лопатами.
В старину (примерно до конца XIX века) существовал также огневой способ, распространенный среди горняков: если при проходке встречался особо крепкий пласт, горную породу нагревали костром, после чего резко заливали холодной ("студеной") водой, отчего порода трескалась. Этот весьма трудозатратный способ впоследствии полностью вытеснил буровзрывной.
Перечисленные способы разработки грунта применимы не только для проходки тоннелей, но для создания любых искусственных сооружений - глубоких выемок, котлованов для фундаментов зданий или мостовых опор и т.п.
Помимо способов разработки грунта следует рассмотреть способы проходки тоннелей.
Условно их можно разделить на обычные и специальные.
В обычных способах выделяют открытый способ, горный и щитовой. Основным критерием их разделения является понятие "временная крепь" - конструкция, воспринимающая горное давления во время проходческих операций до возведения постоянной обделки.
В открытом способе временная крепь не нужна - тоннельные конструкции возводят в открытых котлованах с поверхности, после чего выполняют операции по гидроизоляции обделки и обратной засыпки котлована. Такой способ осуществим на мелком заложении - на глубине до 15..20 м.
На глубоком заложении работы ведутся с сохранением устойчивости выработки (её поддержанием) временной крепью.
Идея горного способа заключается в разделении работ на горнопроходческие работы (разработка грунта с устройством временной крепи) и бетонирование постоянной обделки. При этом, как правило, проходку осуществляют небольшими заходками (до 4..5 м), а бетонируют протяженными участками (до 20..25 м).
Идея щитового способа заключается в применении инвентарной стальной передвижной временной крепи - проходческого щита - под защитой которой выполняются работы по разработке грунта и возведению обделки.
Также возможны различные комбинации способов, например, полузакрытый способ.
Специальные способы проходки тоннелей применяются когда невозможны либо экономически невыгодны обычные способы.
К специальным способам можно отнести, например, мероприятия, связанные с изменением грунтовых условий строительства - замораживание, инъектирование грунта; или модификации обычных способов - стена в грунте; или принципиально нестандартные решения по возведению тоннельных конструкций - опускные секции.
"Внутри" каждого способа проходки тоннеля можно выделить способы производства работ - те или иные мероприятия по организации технологических схем проходки.
Целесообразны такие способы производства работ, обеспечивающие:
-
поточный метод организации работ с развертыванием их по длине тоннеля;
-
проходку с раскрытием выработки на все сечение либо с минимальным числом последовательно разрабатываемых элементов сечения;
-
максимальную механизацию проходческих работ с использованием современных высокопроизводительных механизмов и оборудования;
-
применение контурной крепи (первичной обделки) из набрызгбетона, анкеров и стальных арок;
-
бетонирование лотковой плиты (обратного свода) сразу после раскрытия выработки до проектного сечения;
-
возведение обделки за один-два приема с применением механизированных комплексов, включающих секционную инвентарную передвижную опалубку, высокопроизводительное бетоноукладочное оборудование и средства доставки бетонной смеси;
-
проходку тоннельных выработок со средними скоростями проходки, приведенными в таблице ниже.
Строительство коротких тоннелей (до 1000 м), как правило, ведут одним или двумя забоями через порталы. При строительстве протяженных тоннелей открывают дополнительные забои через шахтные стволы, подходные и опережающие штольни (см. рисунок ниже). В период эксплуатации параллельную оси тоннеля штольню переоборудуют в сервисную для обслуживания основного тоннеля и использования ее для эвакуации людей в случае чрезвычайной ситуации.
В зависимости от последовательности выполнения работ по этим этапам и совмещения их по месту и по времени возможны три схемы организации работ: последовательная, параллельная и совмещенная.
Развертывание фронта работ при строительстве железнодорожного Северомуйского тоннеля (БАМ)