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.
§ 57. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ (ч. 7)
Особенности проходки в скальных породах. Проходку в скальных породах ведут почти исключительно буровзрывным способом, при котором выполнению цикла работ соответствует продвижение забоя на глубину заходки.
После взрывания забой оказывается заваленным породой, а кровля выработки у забоя — лишенной поддержки и, следовательно, подверженной остаточным деформациям под действием развивающихся в ней растягивающих напряжений. Нарастание деформаций происходит тем быстрее, чем меньше крепость породы и чем больше степень ее трещиноватости и размеры выработки. Этими факторами определяется период, в течение которого кровля может быть безопасно оставлена без поддержки.
В весьма крепких породах выработки часто оставляют без временной крепи до сооружения постоянной обделки.
В крепких скальных породах, устойчивость которых обеспечена в течение сравнительно продолжительного периода, временную крепь устанавливают после уборки породы во время бурения на следующую заходку (со специальной тележки или с буровой рамы, подтянутой к забою). За счет совмещения операций сокращается продолжительность проходческого цикла и увеличивается скорость продвижения забоя.
В менее крепких скальных породах временную крепь устанавливают после уборки породы перед обуриванием забоя на новую заходку.
В породах средней крепости, слабых скальных и полускальных длительное оставление кровли без крепления может вызвать значительные ее деформации с отслоением и выпаданием отдельных глыб, что связано с развитием горного давления. Поэтому крепь ставят сразу после проветривания и оборки кровли.
Изложенные соображения в значительной степени влияют на выбор системы крепи и способа проходки, так как продолжительность периода между раскрытием выработки и установкой временной крепи определяет удобства организации производственного процесса.
При проходке тоннелей в скальных породах применяют только поточную систему развертывания работ по длине выработки. При этом в зависимости от степени устойчивости и крепости пород забой выработки продвигают вперед всем сечением или расчленяют на части, последовательность взрывания которых определяет способ проходки тоннеля. Обделку бетонируют, как правило, в полностью раскрытой выработке.
Наиболее распространенными способами производства работ по сооружению тоннеля в скальных породах являются способы сплошного забоя, ступенчатого забоя и нижнего уступа; менее распространен способ центральной штольни.
Способ сплошного забоя. При способе сплошного забоя (рис. 189), применяемом в устойчивых скальных породах VI категории и выше, раскрытие выработки производят за один прием с установкой в случае необходимости временной крепи, которую, как правило, ставят после уборки породы с буровой рамы, подтянутой к забою.
В этом случае отсутствует опережающая выработка. Поэтому при недостаточной изученности геологических условий для предупреждения неожиданного прорыва воды или обрушения более слабых пород целесообразно бурить входящую в состав вруба опережающую скважину диаметром 75—100 мм на глубину до 20—50 м.
В скальных породах средней крепости, требующих закрепления кровли до уборки породы, кровлю временно поддерживают подхватами, подвешенными к ранее установленным стальным аркам, или закрепляют анкерной крепью, устанавливаемой с выдвижных платформ буровой рамы.
Критерием для возможности применения этого способа является безусловная устойчивость забоя без использования несущей забойной крепи. Для обеспечения безопасности работ и предупреждения вывала отдельных кусков породы забой в случае необходимости затягивают вертикальными досками или стальной сеткой, натянутой на рамки из стержней диаметром 10—12 мм. Опорами для досок или рамок служат раздвижные стальные трубы, расположенные поперек забоя в три-четыре яруса и поддерживаемые стержнями, заведенными в наклонные шпуры.
Способ сплошного забоя характеризуется простой и четкой организацией работ, обеспечивающей снижение трудоемкости и высокие скорости проходки. Вследствие значительной площади сечения зажим взрываемой породы окружающим массивом уменьшается и применение глубоких заходок, необходимых для скоростной проходки, не вызывает повышенного расхода ВВ. Однако преимущества этого способа могут быть реализованы лишь при достаточной механо- и энерговооруженности.
Забой обуривают бурильными машинами, смонтированными на самоходной установке или буровой раме (см., например, рис. 139), позволяющей с нескольких перестановок обурить весь комплект шпуров и обеспечивающей возможность пропуска под ней погрузочных машин. Обязательными принадлежностями буровой рамы должны быть стальной козырек, гарантирующий безопасность бурильщиков, и подъемное устройство для подачи элементов крепи и бурового оборудования.
Способ ступенчатого забоя. Видоизменением способа сплошного забоя валяется способ ступенчатого забоя (рис. 190), при котором сечение расчленяют на две части: калотту 1 и несколько отстающую от нее штроссу-ступень 2. Условия взрывания шпуров ступени более благоприятны, чем шпуров калотты (две плоскости обнажения), поэтому коэффициент их использования несколько выше. В связи с этим для получения одинакового продвижения обоих забоев целесообразно применять в калотте шпуры большей глубины.
Шпуры калотты бурят с применением легких разборных подмостей со ступени, длину которой для облегчения условий труда бурильщиков принимают равной примерно 1,5 глубины заходки. Взрывание шпуров выполняют с некоторым опережением шпуров ступени, чтобы уменьшить зажим породы калоттного сечения. В результате взрыва на ступени задерживается сравнительно небольшое количество породы либо происходит ее полная очистка, что может быть достигнуто при создании направленного взрыва, для чего необходимо некоторое усиление нижних шпуров калотты.
После проветривания выработки обуривают калотту с одновременной погрузкой породы в нижней части сечения. В случае необходимости устанавливают стальные арки или рамы полигональной крепи, опирающиеся на уступы породы за пределами проектного контура выработки. Для этого боковые части ступени расчищают от породы, сбрасываемой вниз. Чтобы избежать этого, можно поддерживать кровлю при помощи балок-подхватов, подвешиваемых к предыдущим аркам или рамам. Установку анкерной крепи и бурение контурных шпуров калотты ведут с легких разборных подмостей.
Ступень обуривают горизонтальными отбойными и наклонными контурными шпурами после окончания погрузки породы. В средней части ступени можно бурить вертикальные шпуры во время погрузки породы.
Таким образом, при способе ступенчатого забоя могут быть совмещены наиболее трудоемкие процессы — бурение и погрузка породы, благодаря чему сокращается время цикла и увеличивается скорость проходки. Работы сосредоточены на коротком участке и организуются по одной циклограмме. Расчленение забоя на две части обеспечивает его устойчивость в менее прочных породах, чем при способе сплошного забоя.
Недостатками способа ступенчатого забоя являются обуривание калотты и установка крепи без оборудования, способствующего ускорению этих процессов (например, без буровых подмостей). Этим определяются условия применения способа при отсутствии достаточных средств механизации, необходимых для применения более прогрессивного способа сплошного забоя, или в породах, где применение этого способа недопустимо вследствие недостаточной устойчивости забоя полной высоты. В последнем случае целесообразно отказаться от совмещения операций и выполнять крепежные и буровые работы с оснащенных выдвижными платформами буровых подмостей, подвигаемых к забою после окончания погрузки породы. При этом длина ступени уменьшается до глубины заходки.
Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены
Сооружение тоннелей в скальных породах
Проходку в скальных породах ведут, как правило, буровзрывным способом, при котором выполнение цикла работ соответствует продвижению забоя на глубину заходки.
Нарастание деформаций происходит в зависимости от крепости породы и размеров выработки. Быстрее деформации развиваются в менее крепких породах и больших выработках, этими факторами определяется время, в продолжение которого кровля может быть оставлена без поддержки.
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 — блокоукладчик; 4 — породопогрузочная машина; 5 — тележка для нагнетания раствора за обделку; 6 — вентиляционная труба; 7 — боковые бетонные стены; 8 — пневмобетононагнетатель; 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
В весьма крепких породах выработку оставляют без временной крепи до сооружения постоянной обделки.
В крепких скальных породах, устойчивость которых обеспечена в течение продолжительного периода, временную крепь устанавливают после уборки породы во время бурения шурфов на следующую заходку (со специальной тележки или буровой рамы, подтянутой к забою).
В менее крепких скальных породах временную крепь устанавливают после уборки породы перед бурением шпуров в забое.
В породах средней крепости, слабых скальных и полускальных породах длительное оставление кровли без крепления может вызвать значительные ее деформации и выпадение отдельных глыб. При таких породах крепь ставят сразу после проветривания.
При проходке тоннелей в скальных породах применяют только поточную систему организации работ по длине выработки. При этом в зависимости от степени устойчивости и крепости пород забой продвигают вперед всем сечением или расчленяют на части, последовательность взрывания которых определяет способ проходки тоннеля. Обделку бетонируют, как правило, в полностью раскрытой выработке. В зависимости от характеристики горных пород возможны две схемы организации работ, последовательная, когда к устройству обделки приступают после проходки тоннеля или параллельная, при которой проходка и возведение обделки ведутся одновременно, но с некоторым отставанием бетонных работ. Первая схема более предпочтительна в коротких тоннелях. Основной является вторая схема. Из классификации способов постройки тоннелей известно, что в скальных породах применяют способы сплошного забоя, уступного забоя, ступенчатого забоя и передовой штольни.
Способ сплошного забоя целесообразен в крепких породах (f³4), как правило, разрабатываемых взрывным способом одновременно по всему сечению выработки, при проходке тоннелей в породах с f£6 применяют тоннелепроходческие машины.
В монолитных скальных горных породах проходка осуществляется, как правило, без крепления; в трещиноватых породах применяется временная крепь.
При недостаточной изученности геологических условий, и в силу отсутствия опережающей выработки, для предупреждения неожиданного прорыва воды или обрушения более слабых пород целесообразно бурить входящую в состав вруба опережающую скважину диаметром 75…100 мм на глубину 20…50 м.
Критерием возможности применения этого способа является безусловная устойчивость забоя без использования несущей лобовой крепи. Для обеспечения безопасности работ и предупреждения вывала отдельных кусков породы забой в случае необходимости затягивают стальной сеткой, натянутой на рамки из стержней диаметром 10…12 мм или вертикальными досками. Опорами досок или рамок могут быть стальные раздвижные трубы, расположенные поперек забоя в 3…4 яруса и поддерживаемые стержнями, заведенными в наклонные шпуры.
Цикл разработки породы состоит из бурения шпуров, их заряжения, взрывного рыхления породы, вентиляции, оборки выступающих кусков породы с помощью отбойных молотков, погрузки и откатки взорванной породы, бетонирования обделки (рисунок 9.43).
Необходимое число шпуров «n» на м 2 забоя ориентировочно определяется по формуле:
,
где f— коэффициент крепости породы.
S- площадь сечения выработки.
а – бетонирование обделки; б – перестановка вагонеток; в – погрузка породы; 1 – породопогрузочная машина; 2 – буровая рама с перестановщиком; 3 – бетононасос; 4 – передвижная опалубка
Рисунок 9.43 – Схема организации работ по сооружению тоннеля при проходке сплошным забоем
В зависимости от крепости породы расход ВВ на м 3 породы составляет 0,6…6 кг. Бурение шпуров наиболее эффективно осуществляется специальными самоходными буровыми установками типа СБУ-2; СБУ-4, оснащенными скоростными бурильными машинами.
При бурении шпуров ручными бурильными молотками их устанавливают на буровых рамах или подмостях. Ускорение уборки породы достигается возможностью применения при проходке тоннеля мощных современных высокопроизводительных породопогрузочных машин ПНБ-3К; ПНК-3.
Проходка сплошным забоем позволяет в максимальной степени механизировать и все другие технологические операции. Так для бетонирования обделки можно использовать складную металлическую инвентарную опалубку, перемещаемую специальными тележками с домкратами, устанавливающими опалубку в рабочее положение.
При проходке нижним уступом забой верхней части опережает нижний забой на 30…50 м. Ввиду небольшой высоты забоя шпуры калотты бурят с легких подмостей. После взрыва и обрушения породы производят ее уборку из верхнего забоя. В то же время в нижнем забое бурят шпуры. При этом расширяется фронт работ, увеличивается скорость проходки и несколько может быть снижен расход ВВ.
При длине уступа превышающей 40…50 м (рисунок 9.44) обрушенную породу убирают породопогрузочной машиной в вагонетки с подачей их на передвижной мост с бункером.
1 – передвижной помост с бункером; 2 – породопогрузочная машина
Рисунок 9.44 – Проходка выработки нижним уступом
При проходке верхним уступом (рисунок 9.45) сначала разрабатывают нижнюю часть, с некоторым отставанием верхнюю. Эта схема применяется при наличии в нижней части более слабых пород, чем в верхней. Такая схема проходки позволяет взорванную породу верхнего уступа сразу принимать на тележку, что ускоряет удаление породы и доступ к нижнему забою для его обуривания. Обделку обычно бетонируют целиком в удалении от уступа, определяемом удобствами организации работ.
1 – породопогрузочная машина
Рисунок 9.45 – Проходка выработки верхним уступом
Недостатком ступенчатого способа является сложность организации работ по одновременной разработке двух забоев с перестановкой оборудования.
Способ ступенчатого забоявпервые был применен при строительстве двупутного железнодорожного тоннеля в Германии.
Этот способ является, в известной степени, вариантом способа нижнего уступа. Разбивку забоя проводят аналогично способу нижнего уступа. Однако при способе ступенчатого забоя осуществляют не последовательное, а одновременное проведение верхней части тоннеля и уступа. Такая схема, по сравнению со схемой нижнего уступа, позволяет значительно сократить сроки строительства тоннеля и приблизить их к срокам, обеспечиваемым способом сплошного забоя.
Способ заключается в следующем. Сечение тоннеля разбивают на 2-4 ступени (ярусы, уступы) и разработку забоя растягивают по длине, причем подвигание каждой нижерасположенной ступени ведут с отставанием по длине (на 30-80 м) от разработки ступени, расположенной выше (рисунок 9.46). Подвигание ступенчатого забоя вперед осуществляют одновременно на каждой ступени, причем переход от ступени к ступени выполнен в виде наклонного съезда в середине уступа или поочередно сбоку у стены. Съезд выполняют с уклоном 12-14°, позволяющим передвигаться по нему самоходному оборудованию на пневмоколесном или гусеничном ходу, а также порожнему автотранспорту при подъеме вверх. Через каждые 100-200 м съезды срабатывают и делают заново. На каждой ступени разработку забоя ведут сплошным сечением. Взрывы на всех ступенях производят одновременно, скважины в уступах бурят вертикальные или горизонтальные. Породу с каждой ступени вывозят по тоннелю на поверхность или сбрасывают у нижнего уступа, где работает наиболее мощный экскаватор.
Способ передовой (центральной) штольни предусматривает проходку штольни по оси тоннеля на всю длину или со значительным опережением (рисунок 9.47). Этот способ применим в крепких породах (с коэффициентом крепости f³8…10), не требующих временной крепи.
Центральная штольня дает возможность разведать состояние породы, наличие карстовых пустот, источников воды и других препятствий на трассе тоннеля. Кроме того, из центральной штольни ведется обуривание тоннельной выработки радиальными шпурами. Шпуры располагают перпендикулярно оси тоннеля и бурят с помощью перфораторов, опирающихся на установленную в штольне горизонтальную трубу. Взрывание породы дисками толщиной 60…100 см, перпендикулярными оси выработки, обеспечивает расширение сечения со значительной экономией ВВ вследствие наличия двух плоскостей обнажения. Для предотвращения завала штольни взрывание шпуров ведут с опережением нижней части забоя (нависающим уступом). Уборку породы производят тоннельными экскаваторами или породопогрузочными машинами с погрузкой в автосамосвалы или большегрузные вагонетки.
1 – радиальные шпуры; 2 – горизонтальная труба; 3 – перфоратор; 4 –передовая (центральная) штольня
Рисунок 9.47 – Проходка выработки способом передовой штольни
Возможность бурения шпуров без перерыва на уборку породы в основном забое является главным преимуществом этого способа. Недостатком является неудобство бурения длинных веерообразных шпуров, а также зависимость проходки штольни от работ в основном забое. Последний недостаток может быть устранен, если для вывозки породы из центральной штольни параллельно к ней будет сооружена дополнительная транспортная штольня (рисунок 9.48), или же породу основного забоя разрабатывать только после того, как будет пройдена центральная штольня. В последнем случае способ центральной штольни позволит добиться высоких темпов проходки тоннеля за счет создания поточной организации работ и комплексной механизации всего производственного процесса.
Способ центральной штольни до недавнего времени считался неприемлемым в породах, требующих временного крепления. Внедрение анкерной крепи в тоннелестроение заставило пересмотреть эту точку зрения и позволило расширить границы применения способа центральной штольни.
Рисунок 9.48 – Схема расположения основной и транспортной штолен
Дата добавления: 2014-12-29 ; Просмотров: 1641 ; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет