Строительство туннелей: способы и цели
Тоннелем называют горизонтальный или наклонный искусственный проход под землей. Такие объекты создаются для разных целей. Есть пешеходные, велосипедные, автомобильные, железнодорожные, тоннели подземных коммуникаций, метро, трамваев и т. д.
Наиболее «тоннельным» видом транспорта является метро. Большая часть его линий проложена проходах, которые могут находиться на разной глубине под землей. Автомобильные и железнодорожные тоннели прокладывают под горами и холмами, чтобы укоротить общую длину маршрута. Иногда бывает целесообразнее проложить тоннель, чем возводить мост.
История
Созданием этих объектов люди занимались с древних времен. Первые искусственные сооружения такого типа появились уже в каменном веке. В скалах прорубались пещеры, катакомбы, каменоломни, шахты рудников. Странами, где этим стали заниматься раньше, чем где бы то ни было, являлись Египет и Греция, а также города Рим и Вавилон. Там тоннели рыли в целях добычи полезных ископаемых, при строительстве храмов, гробниц, прокладки водоводов. При работах использовались самые простые орудия, а скальные породы, в которых прорубали проход, не закреплялись.
Самый первый подводный тоннель был построен под рекой Евфрат в районе 2160 года до нашей эры.
Иногда строили тоннели и в Средневековье, преимущественно в военных целях. В поздней фазе Средневековья активно создавались судоходные проходы. Первый железнодорожный тоннель появился в 1826-1830 гг. А первый автомобильный был построен в 1927 году под рекой Гудзон.
В СССР особенно часто строились железнодорожные подземные сооружения. Их прокладывали через Урал, Кавказ, Крым. Строительство автомобильных тоннелей стало актуальным с увеличением числа машин после распада СССР.
Что из себя представляет?
Тоннель – это искусственная пустота вытянутой формы, проложенная в горной породе. Если порода прочная, то проход не закрепляют, а если рыхлая, то устанавливают искусственные закрепительные сооружения. Они называются обделкой и принимают на себя значительную часть горных нагрузок, а также участвуют в гидроизоляции. На входах и выходах сооружают так называемые порталы. Они могут иметь архитектурный вид.
Способы строительства туннелей
Существует два типа – закрытый и открытый. Первый способ используют для прокладки проходов на большой глубине (более 20 метров), а также для тоннелей мелкого заложения. Открытые применяют при прокладке неглубоких ходов. Плюсом этого способа является более низкая стоимость, а минусом – необходимость отведения от места стройки находящихся в ее зоне коммуникаций и транспортных путей.
Закрытые способы прокладки тоннелей
Выбор способа, по которому будут строить тоннель, зависит от типа породы, которую нужно будет прорывать, и назначения объекта. Закрытые способы часто применяют при строительстве тоннеля метро и железнодорожных тоннелей. Грунты могут быть крепкие, мягкие, трещиноватые, обводненные.
Открытые способы прокладки тоннелей
Применение открытого способа строительства туннелей целесообразно при рытье проходов мелкого заложения. При этом используют следующие технологии:
Заключение
Таким образом, строительство транспортного тоннеля может осуществляться разными способами, что зависит от поставленных задач и особенностей грунтов. Наибольшее распространение имеют тоннели железнодорожные и для метрополитена.
Способы постройки тоннелей. Горные тоннели
Тема 8.8. Строительство тоннелей.
Классификация транспортных тоннелей определяется признаками, положенными в их основу. Так, по местонахождению можно разделить тоннели на горные, подводные и городские тоннели. Поперечные сечения тоннелей, в основном подковообразные и круглые, зависят предназначения. К транспортным тоннелям относятся ж/д, а/д, пешеходные и тоннели метрополитена, а также тоннели большого поперечного сечения, в которых происходит движение транспорта нескольких видов.
В зависимости от глубины расположения от поверхности земли различают тоннели глубокого или мелкого заложения. Городские тоннели в пересечениях улиц и площадей, а также пешеходные тоннели, как правило, делают мелкого заложения. Тоннели глубокого заложения проходят на большой глубине в толще горных пород (горные тоннели) или ниже уровня воды (подводные тоннели). Возведение тоннелей глубокого заложения требует специальных методов производства работ.
По способу постройки различают тоннели, сооружаемые открытым и закрытым способом. При открытом способе в предварительно разработанном котловане сооружают тоннельную конструкцию, которую после ее завершения засыпают грунтом. Закрытый способ постройки или проходки тоннелей в свою очередь подразделяют на горный и щитовой.
При горном способе работ создается подземная выработка, немедленно закрепляемая временной крепью, под защитой которой в дальнейшем создается постоянная тоннельная конструкция, называемая обделкой. Такая конструкция обычно выполняется из монолитного бетона.
Щитовой способ постройки связан с использованием проходческого щита – подвижной стальной крепи, ограждающей места разработки породы и сооружения обделки, которая при щитовом способе обычно выполняется сборной из ж/б или чугунных элементов заводского изготовления.
Горные тоннели. В зависимости от характера грунтов, через которое проходит тоннель, конструкция его, называемая тоннельной обделкой, бывает различной. При проходе крепких скальных пород тоннель может быть оставлен без всякой обделки. Если есть опасность выветривания поверхностного слоя породы в тоннеле, то устраивают легкую его облицовку. При необходимости поддерживать горную породу применяют несущую тоннельную обделку, обычно в виде свода. Очертание свода перекрытия должно быть по возможности близким к кривой давления от действующей на него нагрузки. В настоящее время обделку горных тоннелей делают преимущественно бетонной или железобетонной. Раньше обделку всегда делали монолитной. В настоящее время получают распространение сборные конструкции обделки. В крепких скальных породах, не оказывающих бокового давления, можно применить тоннельную обделку в виде свода, опирающегося пятами на породу (рис.234,а).
Рис.234. Основные виды горных обделок и схема горного тоннеля
В менее крепких породах обделка должна укреплять также и боковые стены тоннеля. Тогда ее делают в виде свода, поддерживаемого боковыми вертикальными стенками (рис.234, б).
При слабых породах, оказывающих большое давление как сверху, так и с боков, а иногда и снизу, обделке придают криволинейное очертание, устраивая внизу так называемый обратный свод (рис.234, в).
Для защиты от проникания грунтовых вод тоннельную обделку покрывают гидроизоляцией.
На концах тоннель имеет порталы (рис.234, г), обеспечивающие устойчивость лобового откоса выемки подхода и служащие также для отвода воды и предохранения от падения камней с горного склона.
Тоннельную обделку рассчитывают на горное давление, действующее на свод и боковые стенки тоннеля и зависящее от характера окружающих тоннель пород.
Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 2207 ; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Строительство тоннеля горным способом
Библиотека / Строительство метрополитенов / Новые методы сооружения тоннелей горным способом
Новые методы сооружения тоннелей горным способом
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.