Филиппов Иван Иванович, к т. н., профессор учебно-методический комплекс
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Корниенко Сергей Иванович, доктор исторических наук, профессор кафедры новейшей истории, 248.33kb.
- Алексунин Владимир Алексеевич, профессор, к э. н., профессор кафедры маркетинга и рекламы, 1296.15kb.
- Автор Баташов Сергей Иванович (Ф. И. О) учебно-методический комплекс, 414.78kb.
- Климов Иван Андреевич, доктор философских наук, профессор учебно-методический комплекс, 2577.41kb.
- Слонов Людин Хачимович Доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры ботаники, 823.83kb.
- Литвинюк Александр Александрович д э. н., профессор должность профессор учебно-методический, 654.29kb.
- Панкратов Леонид Васильевич Д. т н., профессор учебно-методический комплекс, 948.73kb.
- Шевчук Иван Викторович, преподаватель учебно-методический комплекс, 654.01kb.
- Чиркун Сергей Иванович учебно-методический комплекс, 257.6kb.
- Парамонова Татьяна Николаевна д э. н., профессор Красюк Ирина Николаевна к э. н., доцент,, 1704.02kb.
Глава 1
ПРОХОДКА ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТОННЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
1.1.Схема сооружения тоннеля
Процесс сооружения тоннеля состоит из двух основных операций: проходки выработки, т.е. удаления грунта из пространства, предназначенного для размещения тоннеля, и возведения тоннельной конструкции – обделки.
В зависимости от крепости и состояния грунтов проходку выполняют с временным креплением выработки или оставляют ее незакрепленной. Временную крепь (из дерева, стали или железобетона) применяют с целью предотвращения деформаций контура выработки и связанного с ними развития горного давления. Поэтому крепь должна иметь достаточную жесткость, устанавливать ее нужно как можно скорее после обнажения грунта, с плотным примыканием к нему. Период пребывания выработки на временной крепи следует, как правило, уменьшать до минимума, так как только постоянная обделка с заполнением зазора за ней нагнетанием цементно-песчаного раствора обеспечивает стабилизацию напряженного состояния горного массива вокруг тоннеля.
Обычно проходку выработки начинают из предпортальной выемки (рис.1.1), лобовой откос которой закрепляют для предотвращения возможности обрушения (крепление врезки). После того как забой опережающей выработки достаточно продвинулся, приступают к раскрытию выработки полного сечения. Этот процесс, называемый расширением, выполняют, начиная с входного участка или из опережающей выработки. В последнем случае устраивают так называемую рассечку, из которой ведут проходку в одну или обе стороны, обеспечивая один или два промежуточных забоя. Удаление забоя опережающей выработки от участка расширения носит название опережения.
В зависимости от свойств грунтов и размеров сечения выработки ее раскрывают за один прием или по частям. В первом случае площадь забоя равна площади всего сечения I выработки (рис.1.1,а), в которой возводят тоннельную обделку 2. Во втором случае в первую очередь проходят опережающую выработку 3 меньшего сечения (рис. 1.1,б), используя которую как базу для развертывания проходческих работ, расширяют сечение до проектных размеров 4, 6, 7, 9. Тоннельную обделку сооружают по частям 5, 8, 10 в процессе раскрытия выработки.
1.2. Опережающие выработки
В качестве опережающей выработки чаще всего применяют направляющую штольню 3, располагаемую в нижней части сечения тоннеля (см. рис.1.1,б).
Направляющую штольню используют для прокладки подземных ходов геодезической основы и разбивки оси тоннеля; уточнения геологических и гидрогеологических данных о прорезаемом горном массиве, осушения выработки посредством дренажа подземных вод, размещения откаточных путей, вентиляционных труб, кабелей и водоотводных устройств. В случае необходимости по длине штольни создают дополнительные забои для ускорения работ по раскрытию выработки на полное сечение.
Выполнение перечисленных требований в наибольшей степени обеспечивает нижняя направляющая штольня, которая исключает необходимость в перекладке откаточных путей, вспомогательных устройств и сети геодезических знаков в течение всего периода строительства. Кроме того, наличие нижней направляющей штольни обеспечивает возможность удобного перехода от одного способа проходки к другому при неожиданном изменении геологических условий.
Для последующего расширения сечения II иногда необходима проходка верхней штольни. Поэтому естественно стремление использовать ее в качестве направляющей. При этом сокращается объем трудоемких работ по проходке штолен, но возникают некоторые трудности. Верхняя штольня дренирует лишь верхнюю часть сечения, в то время как его нижнюю часть разрабатывают в условиях притока подземных вод. Открытие промежуточных забоев по расширению сечения на базе верхней направляющей штольни менее удобно. При этом усложняется транспортирование грунта из нижних разрезов, необходима организация водоотлива. Откаточные пути, вспомогательные устройства и геодезическая основа подлежат перекладке из верхней штольни на нижний уровень. Изменение способа проходки при встрече слабых грунтов на базе верхней штольни практически невозможно.
Поэтому применение верхней штольни в качестве направляющей целесообразно в сухих однородных по трассе скальных грунтах при отсутствии необходимости в промежуточных забоях, т.е. при сооружении тоннелей небольшой длины (до 300 м). В современном тоннелестроении имеется тенденция к отказу от направляющих штолен и проходке с расчленением сечения на более крупные части.
Срок сооружения тоннеля III в большой степени зависит от скорости проходки опережающей выработки, которая служит базой для развертывания работ по раскрытию выработки полного сечения, и в основном определяется временем, необходимым для сбойки направляющих штолен или выработок полного сечения, проходимых встречными забоями. Поэтому следует форсировать проходку опережающих забоев, начиная ее до полного оснащения строительной площадки и ведя работы в три смены с максимальным применением механизации.
Для ускорения сбойки опережающих выработок и повышения скорости возведения тоннеля обычно стремятся увеличить число забоев, в которых ведут одновременную проходку. Открытие фронта проходческих работ может быть выполнено из предпортальной выемки 1, из ствола шахты 3, заложенной на трассе тоннеля, или через штольни-«окна» 2,пройденные в поперечном от оси тоннеля направлении (рис.1.2).
Проходка стволов шахт требует затраты больших средств и времени, и поэтому их применяют для этой цели лишь в случае горных тоннелей неглубокого (до 100-200 м) заложения с последующим использованием для вентиляции во время эксплуатации сооружения. Для открытия фронта работ при строительстве метрополитенов получили широкое распространение вертикальные шахты.
Штольни-«окна» чрезвычайно целесообразны, так как не требуют больших затрат и обеспечивают естественное удаление подземных вод и удобный отвал разработанного грунта. Однако их применение ограничивается случаем, когда трасса тоннеля проходит достаточно близко к косогору (не далее 100 м от него), что иногда встречается при сооружении петлевых и спиральных тоннелей.
Нижнюю направляющую штольню располагают по оси тоннеля таким образом, чтобы при расширении сечения не требовалось перекладывать пути и различные вспомогательные устройства (рис.1.3). Поэтому пол штольни должен совпадать с основанием балластного слоя 1. При наличии обратного свода низкое положение штольни сильно затрудняет водоотвод, так как вода, стекая от забоя, скапливается около обратного тоннеля. В этом случае штольню следует располагать несколько выше, так, чтобы водоотводная канава штольни совпадала по высоте с водоотводным лотком 2 в готовой части тоннеля или была несколько выше этого лотка.
При назначении высотного положения верхней штольни с деревянной крепью необходимо иметь в виду, что верхний элемент крепи (верхняк), как правило, входит в состав окончательной крепи выработки, и его не удаляют перед бетонированием обделки. Поэтому верхняк следует располагать так, чтобы при возможных в процессе проходки осадках его низ находился выше проектного контура обделки.
Возможную осадку определяют практически при разработке на полный профиль первых колец тоннеля, и она зависит от многих факторов, к которым относятся свойства грунта, продолжительность пребывания выработки на временной крепи, последовательность раскрытия и система крепи выработки, качество работ по выемке грунта и креплению выработки, ее пролет.
При проходке выработок однопутных железнодорожных тоннелей в глинистых грунтах предусматривают возможность осадки 30 см, в трещиноватых скальных грунтах – 10-20 см.
В скальных грунтах, не оказывающих бокового горного давления, сечение штольни может быть принято прямоугольным. В грунтах, где возможно несимметричное боковое давление, крепежная рама прямоугольного сечения, составленная из элементов, соединенных в узлах простым опиранием, легко теряет устойчивость. Более надежна трапецеидальная форма крепи. При горизонтальном смещении верхняк такой рамы поворачивается, прижимаясь к потолку выработки. Возникающий при этом отпор грунта препятствует изменению формы рамы под действием одностороннего бокового давления.
Трапецеидальная форма с наклоном внутрь стоек рамы, равным примерно 1:10, удобна и по другим соображениям: нижняя уширенная часть сечения штольни может быть использована для размещения различных вспомогательных устройств, а уменьшение пролета верхняка позволяет уменьшить его сечение.
Стоимость выемки грунта из штолен превышает стоимость грунта из других частей выработки. Поэтому сечение штолен необходимо назначать минимальным с учетом размещения путей и всех вспомогательных устройств (например, вентиляционных труб).
Ширину двухпутной штольни принимают такой, чтобы между единицами подвижного состава оставался зазор не менее 20 см, а между стойками крепежных рам и подвижным составом на уровне его верха – не менее 25 см. Во всех транспортных выработках с одной стороны должен быть предусмотрен проход для людей шириной не менее 70 см.
Высоту транспортной штольни в свету назначают в зависимости от применяемого вида транспорта. При откатке контактными электровозами она должна быть не менее 2,5 м от уровня головок рельсов откаточных путей.
Высоту верхней штольни назначают возможно большей (до 3,5 м), чтобы облегчить при раскрытии выработки переход от штольни к калотте. Если уровень пола штольни сохраняется во время бетонирования свода, высоту штольни назначают так, чтобы под установленными кружалами свода имелся проход высотой не менее 1,8 м.
1.3. Врезка, проходка и крепление штолен.
Проходку обычно начинают из предпортальной выемки, лобовой откос которой должен быть предварительно закреплен от возможного обрушения. Закрепление лобового откоса – крепление врезки (рис.1.4) – обеспечивается укладкой вдоль лобового откоса горизонтальных бревен 6, связанных в рамы наклонными балками 4 и в местах расположения горизонтальных прогонов 3, подпертых подкосами 2. Опорами для подкосов служат параллельные откосу лежни 7, обеспеченные от сдвига короткими сваями 1.
В случае необходимости за горизонтальные бревна 6 закладывают доски.
Над крепью врезки устраивают козырек 5, предназначенный для задержания камней, которые могут скатиться с лобового откоса.
В скальных грунтах при крутых лобовых откосах необходимость в креплении врезки отпадает. Однако должны быть приняты меры против возможных осыпей, которые могут привести к завалу входа или обрушению крепи входного участка. В этом случае у входа в выработку устанавливают деревянные рамы, по которым устраивают перекрытие из бревен с каменной отсыпкой, достаточной для погашения энергии возможного удара.
Проходка штолен в породах, не требующих крепления, сводится к выполнению цикла буровзрывных работ. При необходимости в устройстве крепления характер временной крепи определяется устойчивостью грунтов, в которых ведут проходку. В крепких скальных грунтах закрепляют только кровлю выработки. Верхняки из бревен диаметром 20-30 см укладывают на уступы, образованные взрыванием в верхней части стен выработки, и плотно заклинивают грунт.
В средних и слабых скальных грунтах штольневая крепь представляет собой так называемый неполный дверной оклад (рис.1.5), состоящий из верхняка 4 диаметром 20-30 см и двух стоек 1 диаметром 18-25 см. Стойки опираются на деревянные прокладки или (чаще) в лунки, пробитые в грунте. Раму тщательно расклинивают по контуру. Соединяют верхняк со стойками 1 взаимной врубкой «в лапу» и укрепляют скобами 7.
Продольная жесткость крепи обеспечивается постановкой в углах рамы распорок (рошпанов) 2 диаметром 12-15 см. При высоте штольни более 2,5 м устанавливают второй ярус распорок. Соединяют распорки с элементами рамы полукруглой врубкой «в шор» 9 со скобами.
Кровля штольни поддерживается досками (затяжками) 6 толщиной 5-7 см, концы которых подхватываются поперечинами (филатами) 5 из досок толщиной 7 см и плотно прижимаются к грунту забивкой клиньев 3. Длину досок назначают на 30-40 см больше шага рам.
В мягких грунтах требуется большая площадь опирания стоек. Поэтому при отсутствии бокового давления опорами для стоек служат деревянные подкладки. При наличии бокового давления, которое может сместить низ стойки, конструкцию крепи (рис. 1.6) дополняют лежнем 2 диаметром 20-30 см. Раму замкнутого очертания называют полным дверным окладом. Шаг рам принимают равным 1-1,5 м. В случае необходимости между основными рамами устанавливают промежуточные рамы 3. Стены выработки затягивают досками 1 вразбежку.
По правилам техники безопасности в устойчивых грунтах допускается отставание крепи от забоя не более чем на глубину заходки, т.е. на шаг рам. Все пустоты за крепью должны быть тщательно забучены грунтом или деревом. При перерыве в работе кровля и стены выработки должны быть затянуты до забоя, а забой закреплен досками вразбежку.
В слабых и неустойчивых грунтах проходку следует вести так, чтобы исключить возможность выпуска грунта, следствием которого может быть развитие смещений окружающих грунтов и резкое возрастание горного давления. В случаях, рассмотренных ранее, затяжку поверхностей выработки вели после выемки грунта. В слабых и неустойчивых грунтах это недопустимо, поэтому применяют обратный порядок работ: сначала обеспечивают закрепление контура выработки, а затем производят выемку грунта. Для этого применяют забивную крепь, опирающуюся на полные дверные оклады (рис. 1.7), расположенные через 0,8-1 м друг от друга или в случае особенно больших давлений – всплошную. Если необходимо предотвратить выпирание слабого грунта, под лежни рам укладывают дощатый настил.
З а б и в н а я к р е п ь состоит из досок (марчеван), забиваемых под некоторым углом к продольной оси выработки и заостренных так, чтобы при забивке отпор грунта отжимал их концы в сторону от выработки. Забивку досок ведут следующим образом (рис. 1.8). Первый посад досок 2 забивают над рамой, установленной у затянутого лобовыми досками 1 забоя. Под защитой образованного таким образом козырька вынимают грунт на такую глубину, чтобы концы забивных досок оставались заглубленными в грунт на 20-30 см, и лобовые доски переставляют в новое положение, отстоящее от начального на шаг рам (или его части). Переставленные доски поддерживаются продольными брусками 3 соответствующей длины, опирающимися в стойки рамы. Таким образом, грунт разрабатывают на глубину полной или частичной заходки и крепят ее по всей высоте забоя.
По завершении заходки подводят верхняк, помещаемый у забоя на двух вспомогательных стойках 4, опирающихся на лежень и распертых в предыдущую раму. Под концы забивных досок подкладывают поперечину (филату), и между ней и верхняком забивают высокие клинья 5, заполняющие зазор, высота которого равна сумме толщин забивной доски и нормального клина 6. После этого снимают продольные бруски, устанавливают стойки рамы и забивают клинья между ними и концами лобовых досок. Во время этого перекрепления лобовые доски поддерживаются на клиньях вспомогательными стойками, которые убирают в конце цикла работ.
Следующий посад досок забивают между высокими клиньями. Между этими досками и поперечиной забивают клинья нормальной высоты, затем убирают высокие клинья и на их место забивают остальные доски, в результате чего образуется сплошное покрытие.
Крепление боковых поверхностей выработки, выполняемое аналогичным способом, не должно отставать от крепления кровли.
Для обеспечения отвода воды от забоя прокладывают водоотводную канаву шириной 30-40 см и глубиной 40-60 см (в зависимости от ожидаемого притока подземных вод) с уклоном не менее 30/00, стенки которой в случае необходимости закрепляют досками от размыва, а верх перекрывают деревянным настилом.
Особые трудности представляет проходка штолен в слабых водоносных и плывунных грунтах, прорыв которых через неплотности крепи связан с опасностью затопления выработки и значительных осадок. Для предотвращения выноса пылеватых частиц грунта вместе с водой, поступающей в выработку, применяют шпунтовые забивные доски. Прорыв в углах выработки, где забивные доски расходятся веером, предотвращают применением специальных угловых досок переменной ширины. С целью усиления штольневой крепи, подвергающейся у забоя дополнительному давлению при забивке досок, под штольневые рамы устанавливают подхваты (унтерцуги). Для этого в углы рам заводят продольные прогоны; верхние (лонгарины) и нижние (бантины). Прогоны распирают в поперечном направлении стойками (штендерами) и горизонтальными распорками (рошпанами). Установка подхватов уменьшает расчетные пролеты верхняков и стоек и способствует увеличению общей устойчивости крепи.
Иногда для предотвращения выноса из-за крепи пылеватых частиц грунта по наружной поверхности элементов подхвата нашивают доски, пространство за которыми забивают любым фильтрующим материалом.
Деревянная крепь громоздка, требует бесполезного увеличения объема выработки, обладает большой деформативностью, ведущей к осадкам и развитию движений в окружающих грунтах и, как правило, не допускает повторного использования. В то же время способность подвергаться значительным деформациям без обрушения является ее достоинством, так как создается возможность своевременно принять меры к усилению крепи, подвергшейся горному давлению, превышающему расчетное.
Современным установкам в области индустриализации строительства в большей степени соответствует железобетонная инвентарная крепь. В горном деле для крепления штольневых выработок широко применяют стальную и анкерную крепи.
В процессе сооружения тоннеля выработки, расположенные на разных уровнях, соединяют между собой для перемещения людей, сбрасывания грунта, разработанного на верхнем горизонте, а также для подачи наверх материалов. Кроме того, такое соединение необходимо для доступа из нижней штольни в верхнюю в начале проходки, т.е. при рассечке верхней штольни.
Ходки сечением 70х70 см для сбрасывания грунта в нижнюю штольню устраивают не реже чем через 12 м, в случае необходимости закрепляют дощатой крепью и оборудуют снизу приемными устройствами с дозаторами для погрузки в вагонетки.
Для подачи на верхний уровень длинномерных материалов служат наклонные или уступчатые ходки, используемые также для пропуска вентиляционных труб и другого оборудования.
1.4. Раскрытие калотты
Наиболее ответственным этапом расширения сечения тоннеля является переход от имеющей небольшие поперечные размеры верхней штольни к выработке полной ширины, т.е. раскрытие калотты.
Расширение сечения выработки на полный профиль и бетонирование обделки ведут отдельными кольцами, длину которых назначают в зависимости от условий проходки от 4 до 6,5 м. При быстром нарастании горного давления и большом притоке подземных вод допускается уменьшение длины кольца до 2 м.
При раскрытии калотты в грунтах, требующих крепления, большое распространение имеет веерная крепь, основу которой составляют продольные элементы – прогоны (лонгарины), по длине равные длине раскрываемого кольца.
Раскрытие калотты начинают не раньше, чем верхняя штольня будет пройдена на три кольца при наличии двух вертикальных ходков, соединяющих ее с нижней штольней по обе стороны от раскрываемого кольца. Перед раскрытием калотты необходимо усилить крепь верхней штольни и одновременно обеспечить опоры для досок, затягивающих кровлю калотты, посредством постановки подхвата.
Для этого в углы штольневых рам (рис. 1.9) заводят прогоны 5 диаметром 22-30 см, опирающиеся на стойки (штендеры) 4 подхвата диаметром 20-25 см и распертые в поперечном направлении распорками 6 диаметром 12-15 см. Элементы рамы подхвата соединяют между собой врубками «в шор» (см. рис. 1.5) и скобами. Стойки подхвата устанавливают в разных плоскостях со стойками штольневых рам и опирают на грунт непосредственно (в лунки) или через деревянные подкладки на клиньях для передачи на подхват всей нагрузки, ранее воспринимавшейся стойками штольневой крепи.
Наиболее целесообразно введение стоек подхвата в работу без применения клиньев, которые от сотрясений и толчков могут сдвигаться и поэтому требуют постоянного внимания. Для этой цели применяют стойки, имеющие длину, несколько большую, чем расстояние между низом прогона и опорной площадкой, и снабженные вырубкой по цилиндрической поверхности на верхнем конце. Устанавливая стойку с наклоном в плоскости, проходящей вдоль прогона, ударами приводят ее в проектное положение. При этом происходит некоторое обмятие врубки, вследствие чего прогон прижимается к верхнякам рам штольни.
После взятия крепи штольни на подхваты снимают боковые доски и начинают разработку грунта симметрично в обе стороны от верхней штольни до тех пор, пока не освободится пространство, достаточное для постановки второй пары прогонов 3 (см. рис. 1.9). Предварительно снимают ставшие ненужными стойки штольневых рам 8 (показаны штриховой линией). Кровлю между прогонами затягивают досками 2 (затяжками), и давление от досок передается на вторую пару прогонов через поперечины 1 и клинья 7, плотно прижимающие доски к грунту.
В слабых грунтах разработку калотты начинают с забивки в поперечном направлении досок (марчеван), опирающихся на первую пару прогонов. Под прикрытием этих досок вынимают грунт в обе стороны от штольни с постепенным удалением боковых досок и штольневых рам. Когда грунт вынут настолько, что концы забивных досок остаются заглубленными в грунт на 20-30 см, под доски подводят поперечину и второй прогон с поддерживающими его стойками. Между поперечиной и прогоном ставят высокие клинья, в промежутки между которыми забивают доски второго посада, и производят дальнейшую разработку грунта.
Прогоны располагают по высоте с учетом возможности их осадки в процессе раскрытия выработки и бетонирования обделки. Если во время бетонирования прогоны подлежат удалению, их располагают так, чтобы после осадки поддерживаемые ими доски оказались за пределами проектного контура обделки. Если удаление прогонов сопряжено с опасностью больших осадок кровли, прогоны располагают за пределами проектного контура обделки с учетом возможных осадок. При высоте стоек более 2 м их распирают в продольном и поперечном направлениях распорками, устанавливаемыми примерно на половине их высоты.
В результате раскрытия калотта в пределах одного кольца оказывается закрепленной поперечными тоннельными фермами, состоящими из стоек 2 и распорок 3 и связанными в продольном направлении прогонами 1 и распорками 5 (рис. 1.10).
Высота калоттной выработки, раскрываемой из верхней штольни, равна высоте штольни, т.е. не более 3,5 м. В некоторых случаях (при сооружении тоннеля способом опертого свода) раскрывают калотту на большую высоту понижением ее пола в местах расположения пят свода.
При раскрытии калотты в скальных грунтах, требующих для разработки применения взрывных работ, необходима особая осторожность. Перед взрыванием калотты крепь штольни должна быть тщательно расшита для увеличения ее устойчивости. Части калотты, расположенные по обе стороны штольни, следует взрывать поочередно, приступая к разработке второй половины лишь после того, как первая половина калотты закреплена.
Если в ходе последующего раскрытия выработки требуется понижение пола по всей ширине калотты, его следует осуществлять в один-два приема с последовательным раскрытием малой (иногда средней) и большой калотт. Для облегчения понижения пола калотты в состав крепи вводят горизонтальные элементы – швеллеры, которые служат основанием для стоек тоннельных ферм.
Более удобно и технически целесообразно выполнять раскрытие калотты с применением стальной инвентарной крепи. В этом случае крепь калотты состоит из поперечных арочных кружал, а доски забивают в продольном направлении.
При расширении сечения выработки необходимо стремиться исключать переборы грунта за пределами проектного контура. Переборы увеличивают объем работ по проходке и в особенности по бетонированию обделки, а также вызывают опасные осадки кровли.
В нескальных грунтах размер переборов при разработке механическим способом не должен превышать 50 мм, в скальных грунтах, разрабатываемых взрывным способом, - 100-200 мм в зависимости от крепости грунтов.