Обделки тоннелей при щитовом способе

§ 68. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЩИТОВОМ СПОСОБЕ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ

Сущность щитового способа сооружения тоннелей может быть пояснена путем сравнения с известными из раздела II горными способами работ. При этом целесообразно сопоставить применяемые процессы работ в забое с явлениями, происходящими в горном массиве, окружающем выработку.

При горных способах проходки тоннелей в неустойчивых породах раскрытие сечения в большинстве случаев ведут в несколько этапов с тщательным креплением выработки на каждом этапе расширения. При этом завершающий этап работ — возведение обделки — значительно отстает от головного забоя, что приводит к необходимости длительное время поддерживать выработку на временных крепях.

Всякий процесс разработки активно воздействует на окружающие горные породы. Под влиянием перераспределения напряжений, возникающих при проходке, изменяются механические свойства пород, прилегающих к выработке, что приводит к неупругим деформациям и нарастанию горного давления. Эти изменения настолько глубоки, что для характеристики механических свойств пород недостаточно основных параметров — модуля упругости и коэффициента Пуассона 1 .

Размеры области неупругих деформаций, возникающих в результате влияния процесса разработки, зависят от ряда факторов. Из них главными являются механические свойства горных пород, степень податливости крепи, глубина расположения, размеры и форма выработки. Более податливой крепи соответствуют большие размеры области неупругих деформаций, приводящих в пределе к образованию свода обрушения. Все это характеризует многоэтапные горные способы проходки как неблагоприятные, что можно проследить на графике изменения горного давления по времени (рис. 227).

Промежутку времени Т соответствует наибольшее значение горного давления Р , величина которого затем несколько снижается вследствие приспособления массива и крепи к новому состоянию силовых воздействий. Любому меньшему промежутку времени t , очевидно, соответствует меньшее значение горного давления Р .

При другом способе работ по сооружению тоннелей в мягких породах собственно проходка выработки и возведение постоянной обделки настолько сближаются друг с другом, что обе эти операции в данном сечении тоннеля выполняются практически одна за другой и до возникновения значительного горного давления (см. рис. 227). Устойчивость массива породы достигается своевременным нагнетанием цементного или другого раствора за обделку 2 , а совместность работы обделки и породы — их обжатием. На этом и основана схема работ при помощи проходческого щита.

Головной агрегат — щит — представляет собой подвижную металлическую крепь, под защитой которой выполняются основные операции: разработка и крепление забоя, уборка породы и сооружение постоянной крепи — обделки.

При помощи дополнительных специальных орудий все эти трудоемкие процессы можно частично или полностью механизировать, и тогда щит превращают в механизированный агрегат, обеспечивающий достижение высоких скоростей работ при весьма малых затратах труда.

Главное достоинство щитовой проходки заключается в том, что она в отличие от горных способов работ не требует применения временных крепей, что повышает безопасность и экономическую эффективность выполнения работ. Кроме того, как будет показано ниже, щитовая проходка может быть применена в большом диапазоне геологических и гидрогеологических условий при значительном давлении горных пород и воды, что делает ее универсальным способом работ. Таким образом, в любых грунтовых условиях соответственно приспособленный щит обеспечивает возможность частичной или полной механизации всех процессов тоннельных работ при высоком качестве цикличности и поточности их выполнения.

К особенностям щитового способа относится узость фронта работ и необходимость одновременного производства ряда операций по сооружению тоннеля, что требует строгой увязки всех процессов во времени и высокой их механизации.

В городских условиях щитовая проходка может оказаться единственно возможным способом работ, так как она может выполняться круглогодично без вскрытия поверхности, нарушения уличного движения и подземного хозяйства городов (при условии проведения специальных конструктивных и технологических мероприятий).

Щитовой способ сооружения тоннелей, являясь наиболее эффективным и индустриальным, получил широкое применение и развитие в СССР и за границей на строительстве тоннелей различного назначения. В дальнейшем этот способ найдет еще большее применение главным образом в мягких и неустойчивых породах, позволяющих достигнуть наибольшей эффективности проходки.

Наибольшее развитие в Советском Союзе получила щитовая проходка на строительстве тоннелей метрополитенов: первоначально (с 1934 г.) Московского, затем Ленинградского, Киевского, Тбилисского и Бакинского. В короткий срок (с 1935 по 1938 г.) была создана новая индустриальная база тоннелестроения с мощным парком тоннельных проходческих щитов, запроектированных советскими специалистами и изготовленных на советских заводах. При помощи этих щитов были сооружены перегонные тоннели, а также станции метрополитена глубокого заложения II и III очередей и наиболее трудные участки IV очереди Московского метрополитена.

На следующих этапах работ были внедрены механизированные щиты, давшие скорость проходки до 200 пог. м в месяц (или 10,4 пог. м в сутки против 4,0 пог. м в сутки обычными щитами) в условиях пород средней крепости. В дальнейшем скорость проходки щитами обычного типа в условиях суглинков и песков с валунами доведена до 250 пог. м в месяц, а в песках — до 400 пог. м в месяц.

При строительстве Ленинградского, Киевского, Бакинского и Тбилисского метрополитенов широко применялись механизированные щиты, позволившие достигнуть еще более высоких скоростей проходки перегонных тоннелей. Нашли также большое применение станционные щиты, обеспечивающие надежность работ и высокие скорости их выполнения.

Щитовую проходку широко применяют на строительстве коммунальных коллекторных тоннелей Москвы (с 1935 г.) и других городов, тоннелей для различных технологических целей на промышленных предприятиях черной и цветной металлургии, тяжелого машиностроения, угольных и рудных бассейнов» а также в гидротехническом строительстве.

Совершенствование щитового способа сооружения тоннелей в самых разнообразных геологических и гидрогеологических условиях основано на следующих предпосылках:

• – интенсивной научно-исследовательской работе, направленной на создание новых механизированных щитов и блокоукладчиков;
• – автоматизации отдельных процессов щитовой проходки;
• – применении монолитных и сборных обделок, обжимаемых в породу.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены

Источник

Щитовая проходка тоннелей и коллекторов

При постройке тоннелей, предназначенных для различных подземных коммуникаций (в том числе теплосетей, кабелей, газопроводов) на большой глубине мы используем способ щитовой прокладки тоннеля.

Щитовая проходка тоннеля

Особенности данного способа позволяют:

• осуществлять прокладку тоннелей в любых гидрогеологических условиях;
• увеличить максимально возможную глубину прокладки;
• значительно облегчить выбор трассы коммуникаций;
• одновременно проложить несколько напорных трубопроводов различного назначения.

Щитовая прокладка для устройства тоннелей и коллекторов представляет собой работы по разработке грунта под прикрытием щита, а также закрепление тоннеля или коллектора железобетонными, чугунными тюбингами сборного типа, либо монолитными блоками и блоками из керамики. При щитовой прокладке используется проходнический щит, который выполнен в виде металлической оболочки, которая в диаметре равна наружному диаметру устраиваемого тоннеля.

Проходнический щит имеет три основные части:

• первая (передняя) имеет клиновидную форму, бывает с козырьком и без, выполняет режущие функции;
• вторая (средняя) включает в себя домкраты и является опорной;
• третья (задняя) является хвостовой.

Формирование обделки (иначе — стенок) коллектора осуществляют в задней части щита.

Виды щитов

Для проведения работ мы используем щиты разных видов, имеющие диаметр от 2 до 5 м.

Щиты бывают немеханизированные, частично механизированные и механизированные, в зависимости от способов разработки и транспортировки грунта.

Немеханизированные щиты просты в эксплуатации и применимы при устройстве коллекторов до 2,5 м в диаметре, а механизированные, в свою очередь, более производительны, но и сложнее в управлении.

Механизированный проходческий щит

• Немеханизированные щиты мало различаются по конструкции, из отличий можно выделить головную часть, которая бывает закрытой и открытой, а также горизонтальные полки и жесткие решетки. Если головная часть открытого типа, то режущую часть снабжают козырьком с клиновидным ножом. Вперед щит продвигается за счет гидравлических домкратов, которые устанавливают по периметру щита, их штоки упираются в предварительно уложенные части тоннельной обделки. Расположенная в середине щита опорная часть гарантирует его жесткость и прочность. Под защитой хвостовой (задней) части производят монтаж 1-2 колец сборной обделки либо участок монолитной. В зависимости от типа грунта, диаметра выработки, количества домкратов и мощности насосной установки, скорость проходки немеханизированными щитами составляет 0,8-1,2 м за смену.
• В механизированных щитах предусмотрены механизмы, позволяющие разрабатывать и направлять грунт для погрузки. Рабочая часть таких щитов бывает роторной, экскаваторной, штанговой или гидромеханической. Наиболее часто используются щиты с экскаваторными и роторными рабочими органами. В щитах с роторной рабочей частью, разработанный резцами грунт постоянно попадает на спиральные лопатки и направляется на ленточный конвейер, который переносит его в тележки, имеющие съемный кузов. Вне зависимости от движения щита, гидравлические домкраты продвигают рабочий орган на 1 м, одновременно с этим перемещается и конвейер-перегружатель.

Этапы щитовой прокладки

Работы по проходке щитов мы проводим в три этапа.

1. Подготовительный этап. Здесь наши рабочие создают начальную или монтажную шахту, по которой будет опускаться щит, устраивают вентиляцию, подводят электричество и пр. Создают условия для откатки грунта — прокладывают пути, оборудуют всем необходимым стройплощадку и шахтный двор. В шахте сооружается упор из свай и производится монтаж щита в указанном в проекте положении.
2. Основной этап — это непосредственно передвижение щита и монтаж обделки.
3. Третий этап необходим для тоннелей под канализационный коллектор — в нем устраивают лоток.

Непосредственно проходка коллектора состоит из нескольких процессов: начиная от разборки грунта, перемещение щита, поставки материалов, устройства обделки и завершая вспомогательными работами, предусматривающими прокладку коммуникаций и устройство путей отката.

Основным процессом считается разработка породы, так как скорость щитовой проходки зависит именно от нее. Трудозатраты зависят в большей степени от типа щита — немеханизированные щиты с ручной разборкой породы значительно увеличивают трудоемкость. Именно поэтому, если позволяет тип грунта, мы используем механизированные щитовые комплексы.

Прокладка в сложных грунтах

Различные гидрогеологические условия могут создать некоторые сложности при работе, но современное оборудование и разработанные способы прокладки, позволяют работать практически в любых грунтах.

• В твердых породах. В грунтах, где нет возможности использовать механизированные комплексы (например, в твердых грунтах) наши рабочие используют немеханизированные щиты и разработку грунта ведут вручную. При прокладке тоннелей в крепких породах либо используют отбойные молотки либо применяют взрывной метод.
• В наводненных грунтах. Значительно осложняется выполнение работ в слабых и водонасыщенных грунтах. В данном случае мы применяем метод искусственного осушение забоя в скважинах эжекторными или легкими иглофильтрами, либо погружными насосами. При низком коэффициенте фильтрации грунтов, мы ведем разработку при заморозке грунта или кессонным способом (защитой сжатого воздуха).

Обделка коллекторов

Сейчас все шире используется способ обделки из монолитного бетона, в частности из пресс-бетона, который значительно экономит время и затрачиваемые усилия. Принцип действия прост: в задней части щита мы ставим опалубку, за которую заливаем бетон, таким образом одновременно будет выполняться вдавливание головной части в забой и прессование бетона в хвостовой части щитового комплекса. Между стенками щита и опалубки бетон предварительно уплотняется, а с отстыковкой бетоновода от пресующего кольца при продвижении щита бетонная смесь проходит окончательную прессовку.

Применяя данный способ, одновременно с прокладкой тоннеля, вы можете получить готовую водонепроницаемую гладкую обделку коллектора.

Источник

Общие положения. Принципы проектирования конструкций обделок кругового очертания, сооружаемых щитовым способом

Принципы проектирования конструкций обделок кругового очертания, сооружаемых щитовым способом

Общие положения

Щитовой способ применяется для сооружения тоннелей и их участков в широком диапазоне геологических и гидрологических условий – от скальных грунтов, до неустойчивых обводненных грунтов при значительном гидростатическом давлении. Наибольшее распространение щитовая проходка получила в городских условиях: при сооружении перегонных тоннелей метрополитена (рис.1.1), автодорожных и железнодорожных тоннелей (рис. 1.2 и 1.3), коммунальных тоннелей и т.д. в слабых неустойчивых грунтах, требующих усиленного крепления кровли и лба забоя.

Основными факторами, определяющими выбор конструкций обделок тоннелей при щитовом способе их сооружения, являются: габарит приближения строений; инженерно-геологические и гидрологические
условия; материал обделок и конструкционные требования к ним; эксплуатационные и производственные требования; технико-экономические показатели.

Несущие конструкции тоннелей выполняют в виде обделок кругового очертания, что обеспечивает наиболее благоприятные условия статической работы конструкции в условиях всестороннего сжатия. Большинство тоннельных сооружений проектируются из сборных металлических или железобетонных элементов заводского изготовления. При щитовой проходке в необводненных грунтах применяют и монолитный бетон. При этом обделка создается в результате прессования гидроцилиндрами щита уложенной за опалубку бетонной массы.

Сборные обделки кругового очертания в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации и комплексной механизации строительства, что особенно важно при щитовой проходке тоннелей. Изготовленные в заводских условиях элементы сборных обделок отличаются более высоким качеством и меньшей материалоемкостью по сравнению с монолитными. К конструкциям сборных обделок кругового очертания, сооружаемым щитовым способом, предъявляется ряд специфических требований.

Конструкция должна обеспечивать темпы монтажа кольца обделки, соответствующие времени разработки грунта в забое.

Обделка, сразу же после сборки, должна обладать необходимой прочностью и устойчивостью для восприятия как постоянных нагрузок от горного давления, так и временных нагрузок (от усилий щитовых домкратов, монтажных нагрузок от щитового комплекса и др.)

Конструкция соединений элементов сборной обделки должна обеспечивать наименьшую трудоемкость при монтаже и удобство производства гидроизоляционных работ с обеспечением надлежащего качества.

Обделка должна быть долговечной и водонепроницаемой.

Кроме этого конструкция должна соответствовать требованиям, связанным с изготовлением, транспортированием и монтажом обделки в подземных условиях. Обделка должна собираться по возможности из однотипных взаимозаменяемых элементов, что обеспечивает наилучшие технологические условия ее сооружения и предоставляет возможность для применения индустриальных методов изготовления элементов в заводских условиях. В соответствии с этими требованиями, количество типоразмеров сборных элементов обделки должно быть минимальным, а размеры и масса монтажных элементов должны определяться в соответствии с технологией их изготовления, характеристиками транспортного и грузоподъемного оборудования, организацией производства работ.

Стандартизация и унификация элементов сборной конструкции позволяет существенно упростить и максимально механизировать сооружение обделок, предназначенных для различных габаритов в разнообразных инженерно-геологических условиях.

Сборные обделки состоят из ряда вплотную установленных колец, каждое из которых собирают их элементов заводского изготовления (рис. 1.4). Стыки между элементами в кольце называют продольными (радиальными). Стыки между смежными кольцами называют поперечными (кольцевыми).

В качестве материалов для изготовления сборных обделок кругового очертания применяют чугун, сталь и железобетон.

Тип сборной обделки помимо материала, формы и размеров поперечного сечения определяется еще и такими показателями, как количество элементов в кольце, их размеры, а также число типов элементов. При этом во всем многообразии существующих типов сборных обделок кругового очертания можно выделить два наиболее существенных конструктивных признака: это форма рабочего сечения элементов, составляющих кольцо, и характер связей между элементами в кольце и колец между собой.

По этим признакам сборные обделки кругового очертания разделяют на тюбинговые и блочные обделки со связями растяжения в продольных стыках между элементами в кольце и на блочные обделки без связей растяжения между элементами.

Тюбинговая обделка состоит из колец, смонтированных из отдельных элементов ‑ тюбингов. Тюбинг изготавливают из чугуна, железобетона, реже, из стали. Характерным признаком тюбинговой обделки является наличие болтовых соединений как между элементами в кольце, так и между отдельными кольцами, обеспечивающих жесткость конструкции. Наличие связей растяжения в стыках гарантирует равномерную и непрерывную передачу усилий, включая и изгибающие моменты, от одного элемента к другому. Такие обделки предназначены для использования в слабоустойчивых грунтах, в условиях значительного горного и гидростатического давления. Они могут быть с постоянными связями растяжения на весь период эксплуатации тоннеля и с временными, только на время монтажа обделки.

Блочнаяобделка состоит из колец, смонтированных из железобетонных элементов сплошного или ребристого сечения. Как правило, в блочных обделках не предусмотрены жесткие соединения между элементами в кольце. Таким образом, в блочных обделках существенно снижается передача изгибающего момента в стыках и блоки работают, в основном, на сжатие. Наиболее перспективны блочные обделки, обжатые на грунт.

В особую группу следует выделить блочные обделки с профильными неопреновыми уплотнителями, обладающие повышенной водонепроницаемостью и применяемые при проходке тоннелей герметизированными щитами в обводненных грунтах. В сложных инженерно-геологических условиях обделки такого типа конкурентоспособны с обделками из чугунных тюбингов. В сейсмоопасных районах применяют блочные обделки со связями растяжения в продольных и поперечных стыках, обеспечивающими достаточную жесткость конструкции для восприятия сейсмических воздействий.

Процесс конструирования сборной обделки кругового очертания предполагает следующую последовательность действий. Первоначально, исходя из соответствующего назначению тоннеля габарита приближения строений, назначают внутренний диаметр обделки. Затем, в зависимости от диаметра обделки и инженерно-геологических условий, устанавливают материал обделки и, в соответствии с его механическими характеристиками, определяют форму рабочего сечения и наружный диаметр обделки (то есть толщину блока или высоту кольцевого борта тюбинга). Далее назначают ширину кольца обделки по длине тоннеля и производят разбивку кольца на составные элементы — тюбинги или блоки. Ширина колец обделки определяется диаметром тоннеля, ходом штока щитовых домкратов и устойчивостью грунтов. Затем, в соответствии с требуемой жесткостью и несущей способностью обделки, определяют способ соединения элементов в кольце и колец между собой и назначают основные геометрические параметры элементов. После этого решают вопросы обеспечения водонепроницаемости обделки.

Завершающим этапом проектирования обделки является статический расчет конструкции и проверка прочности ее сечений. В результате расчетов либо подтверждается соответствие запроектированной обделки заданным инженерно-геологическим условиям, либо вносятся необходимые коррективы в конструкцию.

Источник